De første alvorlige LHC-data om Higgs bosonsøgningen er præsenteret • Igor Ivanov • Videnskabsnyheder om "Elementer" • LHC, CMS Detector, Higgs Boson, ATLAS Detector

De første seriøse LHC Higgs boson-søgedata er præsenteret.

Fig. 1. Følsomhedskurver for ATLAS detektorer (øverst) og CMS (nedenunder) til Higgs boson efter indsamling af statistik 1 fb-1. Grafen viser de øvre grænser på Higgs bosonproduktionens tværsnit, der er etableret i disse eksperimenter, afhængigt af bosonmassen. Områder hvor solid sort linje med prikker går under en, anses for at være lukket ved 95% konfidensniveau (grænserne for disse områder vises arrow). Grønne og gule striber Vis det område, hvor denne linje som forventet skal ligge. De områder, hvor den sorte linje strækker sig ud over grænserne af båndene, har visse uregelmæssigheder, der endnu ikke er løst. Billeder fra rapporter på konferencen EPS-HEP 2011

På EPS-HEP 2011 konference blev resultaterne af Higgs bosonsøgningen på Large Hadron Collider præsenteret på statistik over 1 fb-1. Resultaterne af ATLAS og CMS detektorer forbedrer Tevatron's resultater dramatisk. Higgs bosonen er allerede lukket i et meget bredt massespektrum, men i området 130-150 GeV observeres en afvigelse, som begynder at ligne Higgs bosonen.

På den nuværende konference EPS-HEP 2011, den vigtigste begivenhed i dette år i partikelfysik,Den 22. juli blev resultaterne af søgning efter Higgs bosonen ved Large Hadron Collider, opnået efter behandling af den integrerede lysstyrke over 1 fb, præsenteret.-1. Denne statistik er cirka 30 gange højere end det, der blev akkumuleret på LHC i 2010. Det er ikke overraskende, at de nye foreløbige resultater ikke kun dramatisk forbedrer resultaterne af de første søgninger efter Higgs boson på LHC, men også væsentligt forstyrrer resultaterne af det amerikanske langsigtede arbejde Tevatron.

I denne nyhed vil du først blive fortalt om, hvad det generelt betyder at "søge efter Higgs bosonen" på collideren, og derefter de data, der præsenteres på konferencen og vist på fig. 1.

Hvordan leder Higgs boson: et kort uddannelsesprogram

Higgs boson er en meget ustabil partikel. Det opløses umiddelbart efter fødslen, inden det når detektoren. Derfor er der i eksperimenterne registreret partikler – Higgs bosonens forfaldsprodukter – og billedet af hvad der skete, bliver allerede genoprettet.

Higgs bosonen kan forfalde i meget forskellige datterpartikler – for eksempel i to fotoner, i quark-antikvitetspar eller i par af tunge bosoner W+W eller ZZ, som igen også hurtigt forfalder til lettere partikler. Teoretikere har klare forudsigelser om den relative intensitet af alle disse nedfald for Higgs bosonen fra Standard Model. Hvilken slags forfald vil ske i hvert tilfælde, kan teorien ikke forudsige (dette er den største usikkerhed i kvanteverdenen), men det kan forudsige det gennemsnitlige sandsynlighed af disse nedfald med et stort antal lignende begivenheder. Eksperimenter stole på disse forudsigelser, når de udvikler strategier for at søge efter Higgs boson i store statistikker om resultaterne af protonkollisioner.

Standardmodellen giver desværre ikke en klar forudsigelse vedrørende massen af ​​Higgs boson. Kun ved de negative resultater af søgninger ved tidligere acceleratorer og på grundlag af indirekte teoretiske argumenter kan man sige, at bosonmassen skulle ligge et sted mellem 114 GeV (begrænsningen af ​​elektron-positronkollider LEP) og flere hundrede GeV (for nylig Tevatron lukkede også en lille massegruppe nær 160 GeV). Det er ikke kendt på forhånd, hvor det er i dette interval.Mange fysikere er tilbøjelige til at tro, at det mest sandsynlige område vil være 115-150 GeV, men eksperimenter søger Higgs boson i en meget bred vifte af masser (som regel 100-600 GeV) lige i tilfælde.

Værdien af ​​Higgs bosonmassen er en meget vigtig parameter, fordi sandsynligheden for fødsel og mønsteret af foretrukne Higgs boson falder, og dermed søgestrategien for bosonen (se detaljer om Fødsel og forfald af Higgs boson) afhænger kardinalt af det. Når eksperimenterne rapporterer resultaterne af Higgs bosonsøgningen, rapporterer de ikke blot om de ser bosonen eller ej, men giver straks svar på alle bosonens masser. Med andre ord vises søgeresultaterne som følsomhed grafik Dette eksperiment afhænger af bosons masse.

Hvordan Higgs boson føler

Det samme sidste sæt partikler kan fødes enten direkte eller gennem mellemproduktion og henfald af Higgs boson. Samtidig er det umuligt at sige, hvilken proces der fandt sted i hver enkelt kollision – dette er også en iboende egenskab af kvanteverdenen. Derfor er manifestationen af ​​Higgs boson ("signal") påkrævet at være adskilt fra "baggrunden" – alle andre processer, der fører til produktion af de samme partikler, omgå Higgs bosonen.Denne adskillelse udføres statistisk, baseret på en stor stikprøve af data, og er et meget vanskeligt trin i søgen efter Higgs boson. Baggrunden er som regel meget stærkere end signalet, så du skal indtaste flere udvælgelseskriterier og slette alle dataene, og udelukkende trække de begivenheder, der opfylder alle kriterierne. Korrekt udvalgte udvælgelseskriterier gør det muligt at undertrykke baggrunden så meget som muligt og efterlader så mange signaleringshændelser som muligt (det vil sige at forbedre signal-til-baggrund ratio).

Nogle gange efter et sådant valg forbliver en hel del arrangementer, og fysikere sammenligner disse data med resultaterne af modellering og ser om der er nogen afvigelse. For eksempel i fig. 2 øverst viser søgeresultatet for Higgs boson i forfaldet i to fotoner i området af invariant masser fra 100 til 150 GeV (data taget fra rapporten A) For The Higgs. Efter udvælgelsen er der flere tusinde begivenheder tilbage, hvoraf de fleste er baggrund. Blandt dem kan være flere dusin begivenheder af fødslen og henfaldet af Higgs bosonen, men de kan stadig ikke skelnes fra simple baggrundsudsving. I andre tilfælde er udvælgelsen meget hård, så baggrunden er næsten fuldstændig skåret, og kun en håndfuld begivenheder kan være tilstrækkelige til at detektere den ønskede effekt. I fig.2 nedenfor viser en anden Higgs boson-søgningskanal – gennem henfald til to Z-bosoner, som selv forfalder til et elektron-positron eller muon-anti-muon-par (data fra Search for Higgs til ZZ-rapport (llll, llnunu, llqq)). Her efter udvælgelse forbliver kun 18 begivenheder i hele rækken af ​​invariant masser af fire leptoner fra 100 til 600 GeV, hvilket lidt overskrider det forventede antal hændelser uden Higgs boson.

Fig. 2. op: Fordeling af begivenheder med to hårde fotoner over den invariante masse af to fotoner i området 100-150 GeV. Data vist sorte prikkersvinges relativt farvekurvesom giver teoretiske forudsigelser uden Higgs boson, men generelt er det ikke så forskelligt fra det. Higgs bosonen ville ligne en lille bump på denne fordeling, og for at begynde at føle det, er det nødvendigt at øge statistikken betydeligt. Ned nedenfor: Søg efter Higgs bosonen i forfald i to Z-bosoner, som derefter forfalder til fire leptoner. Grå søjlediagram viser baggrundsbidrag, flerfarvede histogrammer Vis signalet fra Higgs boson med forskellig masse. Det kan ses, at dataene allerede er tæt på at begynde at skelne situationen med Higgs bosonen og uden den. Billeder fra rapporter på konferencen EPS-HEP 2011

At sige, Higgs boson kan ses eller ej, fysik test statistiske hypoteser. Specifikt sammenligner de data med to simuleringsresultater – en af ​​dem tager højde for Higgs boson (med en vis fast masse), og den anden gør det ikke. Hvis dataene klart foretrækker en af ​​disse muligheder, konkluderes det, at eksperimentet ser eller ikke ser Higgs bosonen med en given masse. Imidlertid er følsomheden af ​​dataene herfor ikke altid tilstrækkelig. For eksempel på samme billede. 2, nedenfor er det klart, at dataene mere eller mindre er i god overensstemmelse med både en baggrund og med hypotesen om, at der er en Higgs boson med en bestemt masse. Selv om dataene foretrækker tilstedeværelsen af ​​Higgs boson i stedet for dens fuldstændige fravær, er statistisk signifikans ikke tilstrækkelig til at klarlægge nærværet eller fraværet af Higgs boson.

Imidlertid trækker nogle fysikere alligevel ud af sådanne data. For eksempel i fig. 2, nedenfor, er det klart, at hypotesen "Higgs boson er født 10 gange oftere end i standardmodellen"klart modsiger dataene. Hvis en sådan hypotese blev realiseret, ville de flerfarvede toppe skulle øges ti gange, og så ville de sikkert være synlige i reelle data.Da der ikke findes nogen, anses denne hypotese for at være lukket.

Nummeret 10 er kun taget her for klarhed. Faktisk viser en omhyggelig analyse, at selvom Higgs bosonproduktionens tværsnit ville være 2-3 gange højere end i standardmodellen, ville dette allerede føre til en mærkbar uoverensstemmelse med dataene. Derfor kan de opnåede data fortolkes som følger: Selvom Higgs boson eksisterer, bør dets produktionstværsnit ikke overstige det forudsagte tværsnit i standardmodellen mere end flere gange. Med andre ord, pålægger dataene øvre grænse for forholdet σ / σSM, som afhænger af massen af ​​Higgs boson. Denne kurve for denne bestemte henfaldskanal er vist i fig. 3.

Fig. 3. Den øvre grænse for forholdet σ / σSM (dvs. "ikke-følsomhedsfaktoren") opnået i fire-leptonforfaldskanalen ZZ. Sort kurve viser reelle resultater stiplede linjer og flerfarvede striber – det forventede område for passage af denne kurve Når denne kurve falder under enhed, vil det være muligt at tale om at lukke Higgs boson i et eller andet massespektrum alene baseret på denne nedbrydningskanal. Billede fra rapporten Søg efter Higgs til ZZ (llll, llnunu, llqq)

Hvis denne øvre grænse er meget stor (f.eks. 100) betyder det, at detektoren ikke føler bosonet for godt (det vil sige, det kan kun bemærke Higgs bosonen, der er født hundrede gange oftere end i standardmodellen). Derfor kan dette tal også kaldes "ufølsomhedskoefficienten". Med stigende følsomhed (med akkumulering af data eller som følge af forbedrede behandlingsalgoritmer) udelades denne begrænsning. Hvis det i et bestemt masseperiode viser sig, at denne begrænsning falder under enhed, betyder det, at eksperimentet har lukket standard Higgs boson med en sådan masse (det vil sige, det ser ikke bosonen født nøjagtigt med den frekvens, der forventes i standardmodellen).

For lidt mere information om ufølsomhedskoefficienten, se vores tidligere nyheder, der dækker søgningen efter Higgs boson på Tevatron: Tevatron vil snart begynde at "føle" Higgs bosonen og Nye resultater af søgningen efter Higgs boson på Tevatron er præsenteret.

Hovedresultater

I det ovenfor beskrevne eksempel (fig. 2) var det kun omkring en bestemt kanal af Higgs bosonforfaldet. Faktisk er der mange sådanne kanaler, og de studeres alle parallelt.Hver af dem må ikke være for følsom over for tilstedeværelsen eller fraværet af en boson, men når de kombineres, øges detektorens "indsigt" og begrænsningskurven falder. Disse begrænsede kurver kombineret over alle kanaler er vist i fig. 1. De givne diagrammer er taget fra de kombinerede SM Higgs-søg ATLAS-rapporter og de kombinerede resultater Søg efter CMS-detektoren (CMS).

Disse diagrammer siger følgende:

  • ATLAS lukkede Higgs bosonmassegionen 150-190 GeV og 295-450 GeV;
  • CMS lukkede massedomænet 149-206 GeV og 300-440 GeV plus tre korte intervaller mellem dem
  • begge eksperimenter viser noget overskud af data over baggrunden i massevalget på 130-150 GeV.

Massegruppen, der lukkes af hvert forsøg separat, forventes at være meget større end de sidste grænser for Tevatron (de er vist med en rød skyggefuld bar i fig. 1 nedenfor). På nogle få dage forventes der imidlertid nye konsoliderede data fra Tevatron, hvilket vil udvide dette bånd noget.

Meget mere interessant er, at følsomhedskurven i området 130-150 GeV i begge eksperimenter ligger langt over forventningerne. Det betyder, at dataene i dette område er sådan, at at lukke Higgs boson vanskeligere end forventet. Faktisk, hvis man ser på forfaldskanalen H → W+W med det efterfølgende leptonforfald af W-bosonerne er det klart, at dataene lidt foretrækker hypotesen om tilstedeværelsen af ​​Higgs bosonet, snarere end dets fravær (se figur 4). Den statistiske betydning af overskuddet er lille, så der er ikke tale om nogen opdagelse endnu, men det ser meget ud som, hvad Higgs boson burde have givet i dette interval.

Fig. 4. Søgeresultat for Higgs boson i forfald til W& plus;W-par, som derefter falder gennem leptonkanalen. Fordelingen over den såkaldte tværgående masse af to ladede leptoner i området fra 40 til 270 GeV er vist. grå Farve viser baggrunden rød – Higgs bosons forventede bidrag med en masse på 150 GeV. Det ses, at dataene (sorte prikker) overstiger lidt baggrunden og foretrækker hypotesen om tilstedeværelsen af ​​Higgs boson, end den modsatte hypotese af dets fravær. Billede fra rapporten Kombineret SM Higgs søgning

Ud over det store overskud af data over baggrunden for masserne 130-150 GeV, i fig. 1, kan individuelle udbrud ses, for eksempel en top ved 250 GeV i ATLAS dataene. Sådanne smalle udbrud er ikke vejledende: de kan opstå bogstaveligt på grund af et eller to punkter, der er fjernt på graferne (som punkterne ved 118-120 GeV i fig.2 ovenfor). Den "rigtige" Higgs boson manifesterer sig netop i form af et bredt område, hvor den reelle følsomhedskurve stiger over de teoretisk forventede bands. Denne effekt er i øvrigt observeret i ATLAS-detektoren med masser over 550 GeV, og hvis den blev bekræftet i CMS-dataene, ville man håbe på noget ikke-standard på dette område.

Hvad er næste?

Det første skridt er nu at kombinere ATLAS- og CMS-resultaterne i en enkelt LHC-data for endnu større følsomhed. En sådan forening vil sandsynligvis blive præsenteret på Lepton Photon 2011-symposiet, som afholdes i Indien fra den 22. til den 27. august. Dømme efter billedet. 1, kombinerer resultaterne sandsynligvis eliminere Higgs boson i regionen fra 140 til 500 GeV (muligvis minus et lille interval nær 250 GeV). Mere spændende er spørgsmålet om, om det vil være muligt at lave den første positiv udsagn om den mulige eksistens af Higgs boson med en masse på 130-150 GeV.

Dataene præsenteret på EPS-HEP 2011 er meget foreløbige; flere måneder vil tilsyneladende passere, før de er forberedt i form af artikler. I mellemtiden fortsætter statistikkerne på LHC med at ophobes, og det er muligt, at det i efteråret vil stige ca. tre til fire gange.I dette tilfælde vil i slutningen af ​​året alle ovenstående hints blive meget mere udtalt. Udvalget af mulige værdier af Higgs bosonmassen vil indsnævres til et meget lille interval, og det er muligt, at selv fysikere vil kunne lave de første udsagn om eksistensen af ​​Higgs boson. Men indtil denne opdagelse bliver nødt til at vente mindst indtil midten af ​​2012.

Kilde: rapporter om ATLAS og CMS samarbejde, præsenteret 22. juli på EPS HEP-2011 konferencen (se dagens videnskabelige program).

Igor Ivanov


Like this post? Please share to your friends:
Skriv et svar

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: