|
Признаки двойного взаимодействия Хиггса
|
|
|
|
Насколько стабильна Вселенная, как мы думаем? Это один из главных вопросов, на который физики-частиц по всему миру готовятся ответить с помощью Большого адронного коллайдера (БАК) — самого мощного в мире ускорителя частиц — после завершения его модернизации примерно через четыре года. Тем временем исследователи, в том числе группа из Мичиганского университета, работают над совершенствованием своих аналитических инструментов и методов, чтобы максимально эффективно использовать текущие и будущие данные БАК.
|
|
|
|
Группа, в которую входят физики из Мичиганского университета, сообщила о рекордной чувствительности в обнаружении конкретного взаимодействия в данных БАК, которое может помочь ответить на фундаментальные вопросы о нашей Вселенной. В частности, анализ использует усовершенствованный алгоритм искусственного интеллекта для обнаружения признаков, которые исследователи ищут, чтобы понять, как бозон Хиггса, знаменитая фундаментальная частица, которая помогает объяснить, как субатомные частицы имеют массу, взаимодействует сам с собой.
|
|
|
|
«Этот анализ является самым чувствительным в мире к данной конкретной физике», — сказал Грег Майерс, научный сотрудник кафедры физики Мичиганского университета.
|
|
|
|
|
|
|
Майерс и аспирант Мичиганского университета Тамаш Баер сыграли ключевую роль в разработке нового метода, при участии бывшего постдока Кевина Нельсона и недавнего выпускника докторантуры Дастина Хофера. Команду Мичиганского университета возглавлял Том Шварц, профессор физики, который работает над этим конкретным анализом уже десять лет. Мичиганский университет также активно участвует в этом направлении исследований на Большом адронном коллайдере, начиная с Бин Чжоу и Цзяньмина Цяня в 2010 году.
|
|
|
|
Новый анализ примерно в 60 раз чувствительнее, чем эти ранние результаты, что примерно на 65% лучше по сравнению с его непосредственным предшественником, сказал Шварц.
|
|
|
|
Эта работа была представлена на Международной конференции по физике высоких энергий в Натале, Бразилия, в августе и недавно опубликована в виде статьи на сервере препринтов arXiv.
|
|
|
|
Эта работа была представлена на Международной конференции по физике высоких энергий в Натале, Бразилия, в августе и недавно опубликована в виде статьи на сервере препринтов arXiv.
|
|
|
|
Масштабные вопросы и субатомные частицы
|
|
|
|
Когда Большой адронный коллайдер (БАК) был запущен в 2008 году, самым важным вопросом на тот момент было то, сможет ли новый ускоритель обнаружить неуловимый бозон Хиггса. Существование этой частицы было предсказано за десятилетия до этого, когда теоретики уточняли Стандартную модель физики элементарных частиц — наилучшее и наиболее полное описание фундаментальных частиц и сил Вселенной.
|
|
|
|
Однако эксперименты не могли предоставить прямых физических доказательств существования бозона Хиггса до запуска БАК, который находится в ведении ЦЕРН, Европейской организации ядерных исследований. В 2012 году два независимых эксперимента на БАК — один под названием ATLAS, а другой CMS — предоставили эти доказательства. Год спустя два европейских учёных, стоявших за теорией, предсказывающей существование этой частицы, Франсуа Энглерт и Питер Хиггс, в честь которого она названа, получили Нобелевскую премию по физике.
|
|
|
|
С этим открытием физики смогли начать задавать и отвечать на вопросы о том, как работает бозон Хиггса. Но один из этих вопросов — как он взаимодействует сам с собой — является критически важным процессом в рамках Стандартной модели, который остается важной загадкой.
|
|
|
|
«Это, пожалуй, самый главный вопрос, который еще не решен», — сказал Шварц. «Понимание этого действительно многое расскажет нам не только о том, как работает субатомный мир, но и о том, как работает Вселенная».
|
|
|
|
Модернизация БАК поможет обеспечить работу экспериментов по исследованию этого вопроса. В зависимости от того, что обнаружат физики, это может намекнуть на неизведанную физику за пределами Стандартной модели или даже предположить, что Вселенная более или менее стабильна, чем мы сейчас считаем.
|
|
|
|
Однако по мере проведения модернизации Баер, Майерс, Шварц и их коллеги по эксперименту ATLAS также совершенствуют методы анализа данных с помощью современных вычислительных методов. Это не только помогает подготовиться к будущим данным, но и позволяет им извлечь как можно больше знаний из уже собранных БАК данных.
|
|
|
|
В Мичиганском университете работала большая группа ученых, занимавшихся всеми аспектами эксперимента ATLAS, включая Шварца, Цяня и Чжоу, а также Цзюньцзе Чжу и Кристиана Хервига.
|
|
|
|
Характерные признаки, которые ищет команда, обнаруживаются после того, как Большой адронный коллайдер (БАК) отправил два пучка протонов — сами по себе субатомные частицы — навстречу друг другу со скоростью, близкой к скорости света.
|
|
|
|
В результате происходит квантовая суматоха, порождающая поток новых частиц. Многие из этих новых частиц нестабильны, например, бозон Хиггса, то есть они распадаются или превращаются в другие частицы, прежде чем их можно будет наблюдать непосредственно. Но некоторые из этих образовавшихся частиц — включая электроны, их более тяжелые аналоги, называемые мюонами, и безмассовые частицы света, известные как фотоны — генерируют сигнал в эксперименте ATLAS.
|
|
|
|
Знание того, какие частицы обнаружены, а также их свойств, таких как энергия и траектория, позволяет исследователям работать в обратном направлении, чтобы реконструировать и изучить то, что было до этого. Иногда в результате одного столкновения протонов могут образоваться два бозона Хиггса, что создаст сигнал, который учёные смогут использовать для исследования самовзаимодействия частиц.
|
|
|
|
«На данный момент это действительно единственный способ получить к этому доступ», — сказал Майерс.
|
|
|
|
Проблема в том, что эти конкретные события с двойными столкновениями Хиггса крайне редки.
|
|
|
|
«Это происходит, возможно, раз на триллион столкновений», — сказал Баер. «Если что-то настолько редкое, лучший способ найти это — просто попытаться это сделать триллион раз, и тогда это будет найдено».
|
|
|
|
Проект команды включал данные со всего второго этапа работы БАК, который длился с 2015 по 2018 год, и первых двух лет третьего этапа, который длился с 2022 года по июнь. В это время эксперимент работал круглосуточно, создавая примерно 30 миллионов столкновений в секунду. Баер и Майерс сыграли важную роль в разработке нового подхода, который с помощью ИИ обнаруживает потенциальные события с двойными столкновениями Хиггса в огромном массиве полученных данных.
|
|
|
|
«Наша работа заключалась в создании графовой нейронной сети, типа алгоритма искусственного интеллекта машинного обучения, чтобы как можно точнее выделять искомые события из триллионов других фоновых событий, которые нас не интересуют», — сказал Баер.
|
|
|
|
Помимо повышения чувствительности обнаружения этих событий, работа команды также показала, что частота образования двойных Хиггсов может быть более чем в два раза выше, чем предсказывает Стандартная модель. Хотя эта цифра может звучать заманчиво, Шварц подчеркнул, что существует достаточно неопределенности, чтобы ее можно было легко объяснить причинами, которые окажутся обыденными по мере продолжения работы.
|
|
|
|
Таким образом, на данный момент нет новых доказательств того, что Вселенная более нестабильна, чем мы думали. С другой стороны, исследование также не исключает такой возможности.
|
|
|
|
Источник
|
