Higgsův boson je velmi nepatrný a jeho objevení bylo očividně na samotné hranici soudobých technologií. Zároveň je ale ve hře možnost, že se Higgsův boson skládá z ještě nepatrnějších částic. Jejich objevení je prozatím mimo naše možnosti. Na definitivní verdikt si budeme muset počkat až do důkladného vylepšení Velkého hadronového srážeče (Large Hadron Collider, LHC), nebo do příchodu srážečů částic nové generace. Až s takovými přístroji budeme moci hledat případné součástky Higgsova bosonu. A do té doby, abychom se nenudili, můžeme kroutit fyzikálními teoriemi a dívat se, jestli v nich někde nejsou ukryty takové komponenty Higgsova bosonu.
Právě tohle dělá Thomas Ryttov z centra CP3–Origins a Dánského institutu pro pokročilá studia (DIAS). Motivací jsou pro něj obtíže, které přináší objev Higgsova bosonu. Kdyby totiž Higgsův boson byl jednou fundamentální částicí, která se už nedělí na žádné menší částice, tak tím vlastně zásadně ohrožuje, jak jsme už na OSLU psali, princip přirozenosti (naturalness). A ten fyzici velice milují. Jde o problém s hmotností Higgsova bosonu, která by se měla dramaticky zvyšovat při interakcích s virtuálními částicemi ve vakuu, na hodnotu srovnatelnou s Planckovou hmotností. Nárůst je to doopravdy šílený, 100 milionů miliardkrát, oproti hodnotě naměřené z dat LHC. Ve skutečnosti je kvůli tomu nutné velice zkroutit Standardní model a pošpinit tím zmíněný princip přirozenosti.
Vědci se snaží odbourat potřebu intenzivně ladit Standardní model a vrátit Higgsův boson do náruče přirozenosti rozmanitými rozšířeními Standardního modelu, mezi nimiž je dnes nejpopulárnější supersymetrie. Podle této představy mají běžné částice své supersymetrické protějšky. Pokud by supersymetrické částice existovaly, tak by mimo jiné zrušily působení virtuálních částic vakua na Higgsovy bosony a tím i srazily úžasně nakynutou hmotnost Higgsových bosonů zpět do slušných mezí. Potíž je v tom, že jsme zatím žádnou supersymetrickou částici neviděli.
Podle Ryttova se z mnoha stran sbírá víc a víc dokladů, které svědčí ve prospěch existence částic, z nichž by se měl skládat Higgsův boson, čili technikvarků. Higgs by v takovém případě tvořila dvojice technikvarků, slepená dohromady silou technicoloru, odvozené od kvantové chromodynamiky. Podobně jako když kvarky vytvářejí protony a neutrony. Technikvarky by měly mít spin jedna polovina a dva technikvarky by daly dohromady Higgsův boson s nulovým spinem. Problém s přirozeností hmotnosti Higgova bosonu by pak prý odpadl.
Ryttov si otestoval celou řadu teorií, které uvažují Higgsův boson jako částici složenou z menších částic. Nenašel žádný likvidační problém a koncept technikvarků v jeho očích naopak posílil. Je prý zřejmé, že Higgsův boson se slušnou pravděpodobností není elementární, dále nedělitelnou částicí. Teoretický fyzik Kimmo Tuominen z Helsinské univerzity považuje Ryttovovu studii za přesvědčivé posílení teorií s technikvarky, které ve skutečnosti pocházejí už ze sklonku sedmdesátých let. Higgsovy bosony s vnitřní technikvarkovou strukturou jsou stále spekulativní, podle Tuominena ale rozhodně zůstávají ve hře. Až se v roce 2015 rozjede vylepšený srážeč hadronů LHC, který by měl ve srážkách dosahovat energie 14 teraelektronvoltů TeV, bude analýza vnitřku Higgsova bosonu jedním z jeho hlavních úkolů. Třeba se pak ukáže, že žijeme ve světě technicoloru.
Literatura
Live Science 2. 4. 2014, arXiv:1311.0848, Wikipedia (Technicolor/ Physics).
Podivuhodný experiment dokládá fenomén rozpadu falešného vakua
Autor: Stanislav Mihulka (23.01.2024)
Co nám říká nové nejpřesnější měření hmotnosti W bosonu?
Autor: Vladimír Wagner (07.04.2022)
Potvrzen další způsob rozpadu Higgsova bosonu
Autor: Dagmar Gregorová (10.07.2018)
Ultimátní přístroj: Vědci vytvořili urychlovač částic z celého vesmíru
Autor: Stanislav Mihulka (26.07.2017)
Jihoafričtí fyzici předpověděli existenci nového „Madala“ bosonu
Autor: Stanislav Mihulka (08.09.2016)
Diskuze:
Další menší částice
Vlastislav Mach,2015-02-28 19:18:57
Až se najdou další menší částice, ať už se pojmenují jakkoliv, snad někdo vzpomene na fraktály. Totiž to věčné hledání menšího a menšího, anebo naopak zase většího a většího ( struktury hmoty ve vesmíru ), mi silně připomíná teorii fraktálů.
Časové rozlišení
Vladimír Wagner,2014-04-23 17:22:23
U čar, které jsou na obrázku, se opravdu jedná o počítačové zpracování. Ale pozor, takové de-tailní zpracování se nedělá v reálném čase, ale jde o ex post analýzu, na kterou máte fůru času. To, co je potřeba, je rychlá informace pro trigry, která jde z rychlých detektorů, u kterých je i vytvoření elektrického signálu rychlé. Nejrychleji se zpracovává analogová informace, které detektory zareagovaly (třeba mionový - je možnost rozpadu higgse na miony, ...), zda dostatečný počet detektorů. To bývá trigr první úrovně. Pak se rozhodují i komplikovanější věci s využitím i výpočtů, ale na úrovní často analogové - tedy velmi rychlé. To už jsou trigry vyšší úrovně. Ty už ale rozhodují jen, jestli se přečte nashromážděná informace v elektronické podobě od všech de-tektorů. To trvá déle, ale vstup další informace je zablokován a srážky dalších shluků už ji neo-vlivní. Pokud jsou uspokojeny i kritéria trigrů vyšší úrovně, tak se teprve veškerá informace čte a ukládá. To je dost časově náročné. Ovšem úplná analýza probíhá až při zpracování nabraných dat.
U čar, které nevycházejí z místa srážek, může jít o rozpad neutrální částice (pak ale musí jít o vidličku - vznikají kvůli zákonu zachování náboje nejméně dvě nabité částice) nebo může jít o nepřesnou extrapolaci dráhy.
V současnosti je vzdálenost srážejících se shluků 50 ns, což reprezentuje vzdálenost, kterou urazí světlo, 15 m. A právě u Atlasu se používají rychlé detektory, kde šíření signálu v detektoru buď není moc rozdílné od rychlosti světla, nebo jsou detektory malé (vnitřní dráhové detektory). V okamžiku, kdy je informace převedena na elektronický signál, už lze další její narušení blokovat. Časové rozlišení používaných detektorů je v řádu i lepším než ns. A analýzou nasbíraných dat se dají časově svázat k sobě patřící dráhy. Časová vzdálenost 50 ns je dostatečně velká. V následu-jícím období činnosti (od příštího roku) by měla být vzdálenost shluků 25 ns, ale i to je dost velká vzdálenost na odlišení. Vy můžete sledovat i časový průběh letu jednotlivých částic systémem velkého počtu detektorů.
Toto platí u Atlasu, který má detektory s rychlou reakcí a velmi dobrým časovým rozlišením. Právě proto, aby mohl mít tak velkou frekvenci srážek. To je pro hledání higgse kruciální. Jiné je to u ALICE, která je zaměřena na srážky těžkých jader a přesné určování drah velkého počtu částic. Využívá časově projekční komoru, která je pomalá. U ní proto musí být frekvence srážek relativně malá. Toho se dociluje i tím, že se srážejí jen konečky shluků (jen při některých srážkách shluků dojde k reálné srážce dvou jader nebo protonů) nebo jen některé shluky se srážejí.
Higgs se rozpadá...
Martin Plec,2014-04-22 10:01:14
Dívám se na ten obrázek v článku, kde je znázorněno, jak se higgs rozpadá na čtyři leptony. Není mi jasné, jak někdo z takovéhle změti událostí dokáže odvodit, že ty čtyři zachycené leptony pocházejí z rozpadu higgse. Odvozuje se to statisticky? Nebo že ty čtyři události jsou v čase blízko sebe? (Protože předpokládám, že každou sekundu jsou zachyceny tisíce či snad milióny událostí, tak mi ten druhý postup přijde dost nepravděpodobný. Zvlášť když přesný čas zachycení závisí na "zakroucení" dráhy částice, a tedy i vzdálenosti, kterou musí částice urazit.
Martin Plec,2014-04-22 10:04:56
... může mi někdo vysvětlit, jak se to odvozuje? Jaké charakteristiky částice dokáží ty detektory detekovat? I náboj, hybnost,..., nebo pouze místo a čas dopadu?
Pavel Vrchota,2014-04-22 10:34:06
Třeba tady...
http://www.google.de/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=4&ved=0CEEQFjAD&url=http%3A%2F%2Fnc25.troja.mff.cuni.cz%2Fdolejsi%2Ftextbook%2FLHC_CZ.ppt&ei=kSdWU7_kD6aS7Qar6oD4CQ&usg=AFQjCNFMrW01vm5GMp98HhgUmX4D04F4tg&bvm=bv.65177938,d.bGE&cad=rja
Trochu popis,
Vladimír Wagner,2014-04-22 11:21:17
jak je to s detektory na LHC je v druhé části tohoto článku: http://www.osel.cz/index.php?clanek=3193 a jak se identifikuje ze změti částic higgs je zde: http://www.osel.cz/index.php?clanek=6918 .
Martin Plec,2014-04-22 11:30:06
Díky za odkaz. Z něho jsem se dozvěděl, že počet událostí při jedné srážce je v řádech tisíců, a že se zpracovávají jen ty události, které byly vyhodnoceny jako nejzajímavější. A že vrstevnatá konstrukce umožňuje měřit kromě místa dopadu i energii částic, typ částic podle "spršek" a u některých typů částic i dráhy. Zapomněl jsem na něco?
Nicméně mi to nepomohlo s odpovědí na moji původní otázku, jak v těch tisících událostí dokáží odlišit události, které pocházejí ze stejné srážky, resp. z rozpadu stejné částice.
Martin Plec,2014-04-22 11:31:51
To byla odpověď P. Vrchotovi. Odkazy od V. Wagnera si teprve přečtu. Díky.
Podrobněji o odlišení částic
Vladimír Wagner,2014-04-22 13:50:21
Lze určit celkovou energii částice, z určení dráhy pohybu v magnetickém poli hybnost a náboj. To umožňuje částici identifikovat. Pokud máte identifikované částice, které by měly patřit k rozpadu třeba higgse, tak pomocí relativistických vztahů můžete při znalostí hybností a energií těch částic, na které se roézpadl, určit jeho klidovou (invariantní) hmotnost.
Časové rozlišení je takové, že v jednom zaznamenaném případu máte pár srážek, výjimečně přes deset či dokonce okolo dvaceti. Pak se dají různé srážky odlišit prostorově s projekce pohyby částic k místu srážky. Jednotlivé srážky totiž probíhají v dosti dlouhé oblasti (průměr svazku je v řádu desítek mikrometrů). Představu si můžete udělat s třetího obrázku v tomto článku: http://www.osel.cz/index.php?clanek=6035 . Tam je právě zobrazen případ s velkým počtem zaznamenaných srážek v jednom záznamu.
To V. Wagner
Martin Plec,2014-04-22 21:42:31
Děkuji, to je odpověď na moji otázku ...nicméně mi dovolte, abych se ještě ujistil, že jsem to pochopil, není mi to jasné kvantitativně.
Píšete, že v jednom pro detektor nerozlišitelném okamžiku dojde k průměrně cca deseti srážkám. Podle prezentace z odkazu P. Vrchoty při tom vznikne průměrně 1500 detekovaných částic. Na tom třetím obrázku, na který jste mě odkázal, jsem napočítal 17 srážek (tři nejsou vidět) a cca 300 čar odpovídajících vzniklým částicím (a některé ani nevycházejí z žádné ze srážek). Předpokládám, že tyto čáry nebyly naměřeny, ale dopočítány, tj. počítač spočítal, které vzniklé částice odpovídají které srážce. Stále mi však není jasné, jak to dokázal rozlišit, když se ty čáry kříží, tj. události nejsou dostatečně prostorově (a protože se to odehrálo v jednom nerozlišitelném okamžiku, tak ani časově) odděleny. To počítač prochází všechny možnosti, která částice by mohla patřit ke které události, až mu to pro jednu kombinaci vyjde? Aby se dopočítal v reálném čase, musí nejspíš používat různých heuristik, jako např. když v těch stovkách detekovaných částic najde takové, které obvykle pocházejí z nějakého známého rozpadu, tak asi předpokládá, že z něho opravdu pocházejí - tak nejspíš fungují triggery.
Také mi není jasné: shluky protonů mají prý mezi sebou 45ns, tj. ~7.5m. Opravdu je to dostatečné časové rozlišení, aby se dalo rozhodnout, z které srážky detekované částice pocházejí? Detektor má průměr 22mcož je 3x víc, navíc některé produkty srážky mohou velmi zpomalit, takže budou detekovány až s velkým zpožděním.
Diskuze je otevřená pouze 7dní od zvěřejnění příspěvku nebo na povolení redakce
