A partícula mais desejada

Crédito da imagem: evento de Higgs simulado de uma colisão próton-próton; Lucas Taylor, CERN, 1997.

O que o colisor mais poderoso do mundo descobriu e ainda pode encontrar.



Inovação é pegar duas coisas que já existem e juntá-las de uma nova maneira. – Tom Freston



Nesse sentido, o Universo é – de forma bastante espontânea – o final inovador. Pois tudo o que existe foi construído a partir de um estado quente, denso, caótico, onde apenas o fundamental, o individual e o sem massa partículas (e antipartículas) já existiram em grande abundância.

Crédito da imagem: Brookhaven National Laboratory / RHIC, via http://www.bnl.gov/rhic/news2/news.asp?a=1403&t=pr .



A história de como passamos desse estado para o que estamos atualmente, onde vivemos em um Universo que:

  • está cheio de matéria e não antimatéria,
  • está repleta de estrelas, galáxias, aglomerados e vastos vazios cósmicos,
  • contém centenas de núcleos atômicos diferentes que se unem em bilhões de configurações moleculares, e
  • deu origem a uma complexidade inimaginável, naturalmente, incluindo a diversidade de vida que surgiu na Terra,

é a história mais notável que já foi contada. É a história do próprio Universo.

Crédito da ilustração: NASA / CXC / M.Weiss.



Com tudo isso dito, é importante reconhecer que essas enormes riquezas com as quais o Universo nos serve vêm de apenas algumas leis e interações simples – as forças forte, fraca, eletromagnética e gravitacional – e dezessete partículas fundamentais que vêm em poucos variedades diferentes, se você incluir sua carga de cor e suas contrapartes antipartículas.

Crédito da imagem: E. Siegel.

É apenas com o advento do Grande Colisor de Hádrons (LHC) que encontramos o último e mais indescritível: o bóson de Higgs. Foi um tremendo esforço internacional para fazê-lo, e a última partícula não descoberta no Modelo Padrão. Também não foi dado que existiria, pois é a única partícula de seu tipo: um escalar fundamental com spin zero. Ainda assim, nós conhecer o Modelo Padrão não pode ser toda a história do Universo; há mais mistérios não resolvidos por aí. Esperemos que o reinício do LHC, juntamente com as energias mais altas que se seguem, nos ajude a responder a algumas delas.



Então, como chegamos aqui e o que estamos procurando a seguir? Tenho o prazer de anunciar, após o sucesso de nossa última transmissão ao vivo do Perimeter Institute , aquele Começa com um estrondo estará hospedando e exclusivamente live-blogging uma palestra pública de Jon Butterworth em A partícula mais desejada .

Crédito da imagem: Instituto Perimeter.



Jon é um cientista fantástico que trabalha no experimento ATLAS no CERN, professor da University College London, um comunicador de ciência apaixonado, e deve ser um deleite informativo para ouvir e assistir.

Crédito da imagem: Instituto Perimeter.

Se você quiser uma prévia, aqui está um trailer para a conversa , aqui está Jon falando sobre partículas em colisão , e aqui Jon falando sobre a descoberta de Higgs em si .

Então, como você pode assistir à palestra e acompanhar o blog ao vivo simultaneamente? Atualizar pós-conversa : agora que a palestra acabou, assista abaixo, e observe que os horários do live-blog correspondem às 16:00, sendo o início da palestra!

https://www.youtube.com/embed/zaIa7DWK3o8

Vamos começar o blog ao vivo!


Atualização, 15h45 : Espero que todos tenham feito um bom trabalho evitando as travessuras do Dia da Mentira, o único dia em que encorajo todos a evitar toda a internet. Mas bem-vindo ao blog ao vivo da apresentação do Perimeter Institute da palestra de Jon Butterworth sobre The Most Wanted Particle, que espero não seja apenas sobre o bóson de Higgs, mas o que os físicos realmente mais querem: a descoberta potencial de uma partícula que não é em nosso Modelo Padrão!

Crédito da imagem: Fermilab Hoje, via http://www.fnal.gov/pub/today/archive/archive_2011/today11-11-18_NutshellStandardModelReadMore.html .

Descobriremos em breve!

Atualização 15h50 : Relembrando o anúncio inicial do descoberta do bóson de Higgs por Ambas principais colaborações (ATLAS e CMS) no Large Hadron Collider.

Crédito da imagem: captura de tela da palestra ao vivo no Perimeter Institute.

O ATLAS foi o primeiro, anunciando a descoberta de um novo bóson escalar massivo e sem carga em 126 GeV com significância de 4,9 sigma, com CMS indo em seguida e anunciando a mesma coisa em 125 GeV com significância de 5,0 sigma. Foi um momento divisor de águas, e o primeiro verificado detecção do bóson de Higgs. Curiosamente, com a descoberta firmemente em mãos, podemos voltar aos nossos dados antigos e descobrir que o primeiro O bóson de Higgs produzido em um colisor provavelmente foi criado no Fermilab todo o caminho em 1988 ! Mas você precisa de estatísticas para provar uma detecção, e foi só em 2012 que chegamos lá.

Atualização 15h55 : Entrando na conversa, nós conhecer há uma nova partícula em 126 GeV (mais ou menos 1 GeV ou mais), mas é realmente o Higgs? Teria que ser spin-0 e ter exatamente os decaimentos nas proporções corretas que o modelo padrão prevê. Teria que ser o único Higgs, pois algumas variantes preveem muitas outras. E não pode ser uma partícula composta.

Nós pensar todas essas coisas são verdadeiras? Sim, mas precisamos do LHC e mais dados, estatísticas e muito mais para ter certeza. Às vezes, as maiores descobertas surgem de um acaso inesperado. Fique ligado.

Atualização 15h58 : Não pense que o Modelo Padrão é definitivamente tudo o que há, também. Há muitas coisas que ainda não entendemos, incluindo por que os neutrinos têm massa (e por que eles têm as massas que têm), por que não há violação de CP forte como há no setor fraco, por que há uma grande ( 6 partes em 10^10) assimetria matéria-antimatéria no Universo, e por que as massas de todas as partículas são assim muito inferior à escala de Planck. O Modelo Padrão não explica nada disso e – se tivermos sorte – as respostas para essas perguntas também podem aparecer, ou dicas das respostas podem aparecer no LHC nos próximos dois anos.

Atualização 15h59 : VOCÊ AINDA NÃO ESTÁ ANIMADO?!

Atualização 16h01 : Isso começa!

Captura de tela do evento ao vivo do Perimeter Institute.

Seja ativo online fazendo perguntas e usando hashtags; tão bom ouvir a introdução encorajando isso. Até melhorar para saber que eles acertaram o áudio!

Atualização 16h03 : Jon Butterworth prestes a começar; acaba de receber o prêmio Chadwick. Para quem não sabe, Chadwick descobriu o nêutron, provando que havia mais do que apenas prótons e elétrons formando átomos e a matéria com a qual todos estamos familiarizados. De uma forma real, foi a primeira evidência experimental vital que nos afastou dos átomos e em direção ao Modelo Padrão.

Atualização 16h05 : As fotos que ele mostra do LHC do ar são muito diferente da foto do recordista anterior em energia (e meu primeiro empregador de física em 1997): Fermilab.

LHC (L) vs. Fermilab (R)

Observe que você não pode Vejo onde o LHC é do ar; eles tomaram a decisão de usar terras não utilizadas para construir o Fermilab para que pudessem denotar a presença acima do solo. O LHC é totalmente subterrâneo, então temos que traçar uma linha imaginária para visualizar onde ele está.

Atualização 16h10 : Butterworth fala sobre o limites de quão energética uma partícula pode ficar, e isso é determinado apenas por duas coisas: o campo magnético que você aplica e o tamanho do anel. Para aqueles que se perguntam por que não usamos elétrons em vez de prótons, que seriam partículas individuais (limpas) em vez de partículas compostas (feitas de quarks e glúons), se você fizer uma partícula se mover com uma energia grande o suficiente para relação de massa, ele começa a emitir radiação espontaneamente quando é dobrado por um campo magnético: radiação síncrotron .

Crédito da imagem: Chung-Li Dong, Jinghua Guo, Yang-Yuan Chen e Chang Ching-Lin, via http://spie.org/x15809.xml .

Como os prótons são 1836 vezes mais pesados ​​que os elétrons, esses efeitos são desprezíveis no LHC. Mas com o mesmo tamanho e equipamento de força, elétrons e pósitrons seriam limitados a uma energia de cerca de um fator 100 menor do que o LHC alcançará este ano.

Atualização 16h14 : Fato interessante: a maioria dos prótons circulando neste anel perde entre si, as colisões são relativamente raras.

Crédito da imagem: captura de tela desta palestra.

O que é ainda mais louco? As colisões que Faz ocorrem são tão frequentes - a cada 90 nanossegundos - que a velocidade da luz significa que fisicamente não podemos gravar todos os dados! Tudo o que podemos fazer é rejeitar 99,9% dos dados como desinteressantes e acionar a gravação para os 0,1% mais interessantes, e mesmo assim só podemos anotar cerca de 0,1% desses dados que passam em certos testes. Então, imediatamente, estamos jogando fora 999.999 de cada 1.000.000 colisões.

Felizmente, exploramos a maior parte do que sai muito bem em outros colisores de energia mais baixa no passado. São apenas as coisas mais novas e energéticas que vão empurrar as fronteiras da física para trás.

Crédito da imagem: captura de tela desta palestra.

Atualização 16h18 : Por que os múons fazem essas trilhas longas e retas onde nenhuma outra partícula faz? Três razões combinadas:

  1. Eles estão duradouro ; de todas as partículas instáveis, os nêutrons vivem por 15 minutos, mas os múons são os segundos de vida mais longa, cerca de 2,2 microssegundos. Isso é muito tempo quando você se aproxima da velocidade da luz!
  2. Eles são pesados ​​em comparação com os elétrons: 206 vezes mais pesados. (O mesmo que o número de ossos no corpo humano adulto.) Assim, enquanto os elétrons se dobram severamente no campo magnético do detector, os múons não.
  3. E, finalmente, sua seção transversal com a matéria é pequena, ao contrário de prótons, nêutrons, píons e outros bárions e mésons.

Então é por isso que você precisa desses grande detectores de múons longe do ponto de colisão.

Atualização 16h25 : Simples, mas profundo: por que ir para altas energias com nossos aceleradores?

Crédito da imagem: ESA/AOES Medialab.

Porque são necessários comprimentos de onda cada vez mais curtos para ver coisas cada vez menores. Assim como seus olhos são ótimos para ver características faciais, mas terríveis para ver átomos, baixas energias são ótimas para sondar a física atômica, mas terríveis para sondar partículas subatômicas. Para chegar ao menor , partículas mais fundamentais, precisamos ir para energias mais altas.

Atualização 16h26 : O bóson de Zed. Oh Strong Bad, como eu sinto falta do seu piadas zee vs zed .

Crédito das imagens: hrwiki.org.

Atualização 16h33 : O que é o campo de Higgs? Ele encontra uma analogia interessante da física da matéria condensada: imagine um conjunto ordenado de dipolos magnéticos (pólos Norte-Sul) à esquerda, versus um desordenado e aleatório à direita.

Crédito da imagem: captura de tela desta palestra.

O da direita é mais simétrico, surpreendentemente: é aproximadamente o mesmo em todas as direções. Mas há apenas direções específicas de que o da esquerda parece o mesmo, e é com esse que o campo de Higgs é mais parecido: se você fizer uma ondulação em um pedaço desse campo, todo o resto responderá a ele. Enquanto à direita, ainda pareceria uma bagunça aleatória.

Atualização 16h40 : Muito abstrato para trazer diagramas de Feynman e teoria quântica de campos aqui, mas ele é tentando para explicar como você faz um bóson de Higgs em primeiro lugar, e o fato de que se você bater um elétron e um pósitron juntos, eles podem não apenas interagir eletromagneticamente, mas podem interagir através da interação fraca, e especificamente através do bóson Z. (Zee de mim, Zed de um canadense.)

Crédito das imagens: wikipedia/wikimedia commons.

Mas o Z-boson é massivo, enquanto o fóton não tem massa. Então o que acontece? Se você colidir um elétron e um pósitron na energia certa – em torno da massa do bóson Z – você vê o impacto de ter uma partícula massiva ali.

Crédito da imagem: captura de tela desta palestra.

Essa é a mesma analogia por trás de como tentamos encontrar o Higgs e por que estamos procurando um aumento nas diferentes coisas que ele pode produzir.

Atualização 16h42 : Então, se você obtiver um aumento extra em seus dados em uma energia específica, espera que haja uma nova partícula! Levou anos para obter dados suficientes no LHC para obter esta ressalto.

Crédito da imagem: captura de tela desta palestra.

Observe todos os outros desvios menores do plano de fundo e quantos dados você precisa para produzir uma pequena saliência como esta.

Atualização 16h45 : Muito importante aqui: Jon Butterworth diz que o mais convincente Um pouco de informação foi que o CMS — o outro detector — com tecnologia e dados completamente independentes, encontrou o mesmo sinal na mesma energia com o mesmo significado. É assim que a ciência funciona: você precisa confirmação independente para verificar se um efeito é real e não um artefato do seu experimento. É por isso que os neutrinos mais rápidos que a luz nunca foram levados a sério, porque nunca poderia ser confirmado por equipes independentes, mas todos aceitam a existência dessa nova partícula.

Atualização 16h49 : Então aqui é onde eu queria estar: onde estamos agora?! Temos todas as partículas do Modelo Padrão, então o que vem a seguir? Ele coloca este belo gráfico:

Crédito da imagem: captura de tela desta palestra.

Não temos 100% de certeza de muitas coisas:

  • a auto-interação dos Higgs,
  • o tempo de vida do Higgs (é muito difícil medir tempos de vida de 10^-25 s),
  • quais são suas razões de ramificação de decaimento (quanto ele decai em quarks up, downs, elétrons, neutrinos, etc.),
  • é o Higgs uma partícula composta (não que possamos ver, mas muito difícil de sondar isso; só podemos colocar restrições),
  • e existem vários Higgs partículas?

Este último é uma previsão da Supersimetria (SUSY), e se for relevante para resolver o problema da hierarquia (por que as massas das partículas do Modelo Padrão são muito menores que a escala de Planck), devemos encontrar pelo menos um mais no LHC nos próximos anos.

Atualização 16h52 : Um ponto que ele ignora que é vital: quando o Higgs foi descoberto, nós não tinha medido seu giro , porque não vimos certas decadências. Nós a vimos decair em duas partículas spin=1, mas você pode ter 1+1=2 ou 1–1=0, então pode ser que essa nova partícula (bóson de Higgs?) . Mas, posteriormente, vimos decair em duas partículas de spin=½, o que pode significar ½+½=1 ou ½–½=0.

Bem, se a mesma coisa está decaindo em duas partículas de spin = 1 e duas partículas de spin = ½, pode seja spin=0 e, portanto, sabemos que tem as propriedades esperadas!

Atualização 16h55 : Assimetria matéria-antimatéria, matéria escura, energia escura, unificação, problema de hierarquia… estes são os problemas não resolvidos que ele sabe que precisam ser resolvidos. O LHC fornecerá pistas convincentes para algum destes?

Crédito da imagem: captura de tela desta palestra.

Bem, o tamanho do LHC é representado pelo círculo mostrado pela seta vermelha; outros colisores maiores (e, portanto, mais energéticos) são propostos. Mas eles vão encontrar algo novo?

É potencialmente aterrorizante, mas pode não haver novas partículas para muitas ordens de grandeza em energia, e assim o Modelo Padrão pode ser tudo o que encontramos mesmo se construirmos um acelerador do tamanho do planeta Terra!

Atualização 16h59 : Terminamos a tempo, e agora é uma sessão de perguntas e respostas. Primeiro: o LHC poderia produzir matéria escura? Ele só fala sobre a possibilidade de SUSY, que lhe daria energia em falta, que é a mesma coisa que um neutrino seria. Mas se você visse um aumento em seu espectro de energia ausente (vs. o que você prevê apenas para neutrinos), essa seria sua evidência.

Atualização 17h02 : Qual é a origem da carga elétrica? Essa é boa! Ele pode falar com você sobre conservação de carga elétrica, mas por que ela é quantizada? Por que é discreto? Por que os elétrons têm carga de -1, mas os quarks têm cargas fracionárias? E por que – sob as mesmas regras – não há cargas magnéticas? Ele não afirma a resposta mais verdadeira que temos: nós não sabemos .

Atualizar 17h03 : A evidência para a antimatéria é muito pesado , de fato, de todas as partículas do modelo padrão que tem antipartículas , que são todos os férmions (quarks, léptons carregados, neutrinos), na verdade detectamos diretamente todas as antipartículas previstas.

E é isso para a conversa e as perguntas e respostas! Obrigado a Jon Butterworth pela ótima conversa; para ser justo, ele nos trouxe até os limites atuais do nosso conhecimento, eu só quero que haja mais!


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