Адронный колайдер

Модераторы: morozov, mike@in-russia, Editor

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 34561
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Адронный колайдер

Номер сообщения:#16   morozov »

Ivan

Re: БАК( LHC) - прорыв в будущее!
Ответ #620 - 22.12.12 :: 10:43:53
http://elementy.ru/LHC/news?newsid=431955

Новые данные ATLAS по хиггсовскому бозону: интрига сохраняется
19.12.12
Изображение
...
Рис. 1. Пример события рождения двух фотонов высокой энерии в детекторе ATLAS, которое могло произойти через промежуточное рождение и распад хиггсовского бозона. В центральной части детектора видны следы заряженных частиц небольшой энергии, а два ярких желтых пятна отвечают двум фотонам, зарегистрированным электромагнитным калориметром. Изображение из доклада коллаборации ATLAS

Коллаборация ATLAS обновила данные по распаду хиггсовского бозона на два фотона и на пару Z-бозонов. Подтверждается самый громкий результат LHC — существенное превышение двухфотонного распада по сравнению со Стандартной моделью. Обнаружились также нестыковки в массе бозона Хиггса, но они объясняются, по-видимому, статистической флуктуацией и вовсе не свидетельствуют о том, что коллайдер «видит» два бозона Хиггса.

Изучение хиггсовского бозона: краткая предыстория
4 июля 2012 года на специальном семинаре в ЦЕРНе было объявлено об открытии хиггсовского бозона на Большом адронном коллайдере. Эта частица — отголосок нарушения электрослабой симметрии — кардинального преобразования нашей Вселенной, случившегося в эпоху ее «горячей юности» — была предсказана теоретиками еще полвека назад. Но только сейчас, спустя десятилетия поисков в самых разных экспериментах, ее существование было надежно установлено. С полным правом можно сказать, что в физике частиц завершилась эра поисков бозона Хиггса и началась эпоха его всестороннего изучения.
Изучать хиггсовский бозон нужно для того, чтобы выяснить, из какой именно разновидности хиггсовского механизма он возникает. А это, в свою очередь, должно рассказать о том, каково глубинное устройство нашего мира, какая именно из многочисленных гипотез Новой физики имеет отношение к реальности. Именно поэтому обнаружение бозона Хиггса является не концом, а только началом научной программы по его исследованию.
Вот основные вопросы, на которые физики хотят получить ответы в экспериментах на Большом адронном коллайдере:
сколько существует типов хиггсовского бозона и каковы их характеристики (масса, заряд, спин и т. д.)?
на что они распадаются и с какой вероятностью?
если LHC видит только один хиггсовский бозон, то отличаются ли его свойства от предсказаний Стандартной модели?
По состоянию на лето 2012 года сложилась такая картина.
Была достоверно обнаружена частица с массой в районе 125–126 ГэВ, свойства которой очень напоминали свойства хиггсовского бозона. Она находится примерно в том диапазоне масс, на который указывали более ранние косвенные данные, и распадается на те самые наборы частиц («каналы распада»), которые ожидаются от более или менее стандартного хиггсовского бозона. По этой причине подавляющее большинство физиков с самого начала было уверено в том, что это именно бозон Хиггса. Дополнительных хиггсовских бозонов пока не видно.
Хиггсовский бозон проявлял себя наиболее четко в двух самых чистых каналах распада: это распад на два фотона и распад на два Z-бозона с их последующим распадом на четыре лептона (электрона или мюона). Поиски велись еще в трех каналах распада, но из-за больших статистических погрешностей и сильного фона заметить проявления бозона Хиггса в них не удавалось.
Самый громкий результат состоял в том, что измеренная вероятность распада на два фотона оказалась в полтора-два раза больше, чем предсказывалось Стандартной моделью. Это превышение было синхронно замечено в двух главных детекторах, работающих на коллайдере, — CMS и ATLAS. Теоретики сразу же накинулись на этот результат, предлагая десятки разных объяснений в рамках тех или иных моделей Новой физики. Экспериментаторы охлаждали их пыл, терпеливо повторяя, что отличие от Стандартной модели пока не слишком статистически значимо, так что делать выводы пока рано.
В других каналах распада тоже наблюдались интересные эффекты; например, распад на два тау-лептона был попросту не виден. Однако из-за еще больших погрешностей данных каких-то далеко идущих выводов тут пока не делалось.
Наметилось некоторое расхождение между экспериментами ATLAS и CMS относительно общей интенсивности рождения и распада хиггсовского бозона. ATLAS в среднем давал превышение над ожиданиями Стандартной модели, а в данных CMS, наоборот, наблюдался нехватка хиггсовских бозонов. Опять же, пока статистика невелика, это расхождение не вызывает беспокойства и вполне может быть списано на статистическую флуктуацию.
Дополнительные подробности см. на страничках Поиск бозона Хиггса: результаты и Изучение бозона Хиггса, а также в новости Хиггсовский бозон: открытие и планы на будущее. Ссылки на первые обзоры по физике хиггсовского бозона на LHC можно найти в наших коротких новостях.
Летние результаты были основаны на статистике, накопленной за 2011 год (интегральная светимость примерно 5 fb–1 на энергии протонных столкновений 7 ТэВ) и за первые месяцы работы 2012 года (примерно 6 fb–1 на энергии 8 ТэВ). Однако в дальнейшем коллайдер набирал статистику всё более ударными темпами: за лето и осень было накоплено еще примерно 15 fb–1. Поэтому ожидалось, что обе коллаборации — CMS и ATLAS — ближе к концу года выступят с обновленными данными. Если в них отклонения от Стандартной модели будут по-прежнему велики, а погрешности уменьшатся, то это будет сильным свидетельством в пользу того, что Новая физика наконец-то найдена.
В ноябре в Японии прошел крупный симпозиум по физике на адронных коллайдерах. Оба эксперимента представили там обновленные данные по хиггсовкому бозону, однако самые интересные каналы распада (два фотона и в случае ATLAS еще и ZZ) обновлены не были. Можно было предположить, что коллаборации либо обнаружили что-то новое и интересное, либо столкнулись с какими-то трудностями. Так или иначе, исследовательские группы решили не торопиться и лишний раз себя перепроверить.

Новые данные ATLAS
13 декабря, после примерно месячного ожидания, были обнародованы новые результаты коллаборации ATLAS на статистике 13 fb–1 (плюс данные 2011 года). Доклады представителей этого эксперимента прозвучали в рамках Мини-программы по идентификации бозона Хиггса в Институте теоретической физики им. Кавли, а также на традиционном декабрьском семинаре в ЦЕРНе, на котором подводились итоги работы LHC в прошедшем году. На странице научных результатов ATLAS также появились технические статьи с подробными графиками и описанием.

Изображение...
Рис. 2. Хиггсовский сигнал в двухфотонном канале распада. Слева: распределение событий по инвариатной массе двух фотонов, справа: интенсивность хиггсовского сигнала в данных 2011-го и 2012 годов. Изображения из технического сообщения коллаборации ATLAS

Новые результаты, касающиеся распада на два фотона (H → γγ), таковы:

Хиггсовский сигнал проявляется всё четче и четче. На рис. 2, слева, показано распределение двухфотонных пар по инвариантной массе. Отчетливо видно, что на фоне плавного распределения (то есть рождения двух фотонов высокой энергии без участия бозона Хиггса) виден небольшой бугорок в районе 126 ГэВ. Он отвечает тем дополнительным случаям рождения двух фотонов, которые возникли из распада бозона Хиггса. Сравните этот график с аналогичным распределением полугодичной давности (рис. 2, слева, в июльской новости).
Статистическая значимость этого пика составляет 6,1 стандартных отклонений. Таким образом, даже если бы у нас не было данных по другим каналам распада, один лишь этот канал был бы достаточен для объявлении об открытии бозона Хиггса.
На радость физикам, интенсивность хиггсовского сигнала остается высокой, существенно превышающей ожидание Стандартной модели. Отношение реальных данных к ожидаемым составляет в этом канале μγγ = 1,8 ± 0,3+0,29–0,21 (первая погрешность статистическая, вторая — систематическая). Отличие от единицы (то есть от Стандартной модели) составляет примерно 2 стандартных отклонения. Это, конечно, еще не слишком впечатляющий результат, но хорошо уже то, что по мере накопления данных это число не флуктуирует вокруг единицы, а систематически остается большим (см. график на рис. 2, справа, где эта интенсивность показана по отдельности для данных 2011 года и для первой и второй половины 2012 года).

...Изображение
Рис. 3. Хиггсовский сигнал в распаде на два Z-бозона с последующим их лептонным распадом. Слева: распределение событий по инвариатной массе четырех лептонов, справа: то же, но для конкретного канала распада (четыре мюона). Выделена область 120–130 ГэВ, в которой происходят статистические флуктуации. Изображения из технического сообщения коллаборации ATLAS

Хиггсовский сигнал в распаде на два Z-бозона (H → ZZ → лептоны) тоже продолжает...

http://elementy.ru/LHC/news?theme=2653111

22.12.12
В журнале Science вышли статьи про открытие хиггсовского бозона
В рамках подведения научных итогов года журнал Science назвал открытие хиггсовского бозона прорывом 2012 года. В связи с этим в выпуске журнала за 21 декабря появились не только научно-популярные заметки об этом открытии, но и четыре полноценных статьи.

Две из них — статья коллаборации CMS и статья коллаборации ATLAS — описывают процедуру и результаты поиска бозона Хиггса в данных за 2011-й и первую половину 2012 года. По сути, они соответствуют статьям, опубликованным уже несколько месяцев назад в Physics Letters B (CMS, ATLAS), только написаны чуть более простым языком. Еще одна статья рассказывает о долгом пути к этому открытию, который прошли обе коллаборации, начиная от истории их создания и заканчивая тонкостями поиска хиггсовского сигнала в отдельных каналах распада. Наконец, краткая заметка про хиггсовский бозон содержит справочный материал для понимания предыдущих статей.

В соответствии с политикой ЦЕРНа, эти статьи — как и все другие статьи, описывающие результаты работы Большого адронного коллайдера, — находятся в свободном доступе.
_________

Ivan

Re: БАК( LHC) - прорыв в будущее!
Ответ #622 - 11.01.13 :: 07:30:39
http://www.computerra.ru/interactive/724659/

Валерий Тельнов (ИЯФ СО РАН) о бозоне Хиггса
Профессор Валерий Иванович Тельнов, главный научный сотрудник ИЯФ СО РАН, доктор физико-математических наук, объясняет, почему на бозоне Хиггса физика не заканчивается.

Автор: Алла Аршинова | Раздел: Интервью | Дата: 30 ноября 2012 года

- Что такое бозон Хиггса? Зачем его придумали и так долго искали?

- Все знают, что тела и элементарные частицы имеют массы. А как возникают массы? Казалось бы, что можно просто принять существование масс как факт и на этом успокоиться. Однако возникла проблема. Теоретики нашли очень плодотворный путь построения теории взаимодействия элементарных частиц. Достаточно найти симметрию в конкретном взаимодействии и потребовать инвариантности относительно поворотов в соответствующем пространстве, как автоматически получаются поля-переносчики данного взаимодействия. Такой подход лежит в основе Стандартной модели, описывающей электромагнитное, слабое и сильное взаимодействия.
Переносчиками этих взаимодействий являются соответственно фотон, W- и Z- бозоны и глюоны. В этой теории обязательно требуется, чтобы частицы-переносчики взаимодействия были безмассовыми. Фотоны и глюоны действительно имеют нулевые массы, а вот массы W- и Z- бозонов оказались очень большими, примерно в сто раз больше массы протона.
Для решения этой проблемы был придуман механизм, заключающийся в том, что исходно все эти частицы - безмассовые, а масса возникает динамически за счёт взаимодействия с неким скалярным полем, заполняющим всё пространство. Масса частицы пропорциональна константе взаимодействия данной частицы с этим полем. Квантом поля является как раз хиггсовский бозон, названный в честь одного из авторов данной теории механизма возникновения масс. Теория не предсказывает массу хиггсовского бозона, поэтому его искали в широком диапазоне масс.
Косвенные данные, полученные на коллайдере LEP в ЦЕРНе, сузили этот диапазон масс до 115-170 ГэВ. Дальнейший поиск проводился на протон-антипротонном коллайдере Tevatron в лаборатории Ферми в США, а затем в ЦЕРНе на Большом адронном коллайдере (LHC). В июле 2012 года физики, работающие на LHC, объявили об обнаружении частицы с массой 126 ГэВ, очень похожей на хиггсовский бозон.

-Учёные нашли бозон Хиггса. Почему они так уверены в том, что это именно он? Какова процедура подтверждения открытия новой частицы?

- Если масса хиггсовского бозона известна, то теория предсказывает, сколько их должно родиться и на что они должны распадаться. Так, например, вероятность распада на пару лептонов пропорциональна квадрату массы этих лептонов. Это следует прямо из того, что масса пропорциональна константе взаимодействия. Это и требуется проверить, чтобы окончательно удостовериться, что найденная частица является хиггсовским бозоном. Следует заметить, что есть простейшая модель, а есть её разновидности. Например, теория суперсимметрии предсказывается три нейтральных и два заряженных хиггсовских бозона. Какая модель реализуется в природе, покажет эксперимент. Данные, полученные на LHC, довольно близки к ожидаемым, но есть некоторые отличия. Для более уверенных выводов требуется большая статистика.

- При каких параметрах работы LHC рождается бозон Хиггса? Почему понадобилось так много времени на его обнаружение?

- Количество рождённых хиггсовских бозонов зависит от энергии пучков и интеграла светимости (пропорционального количеству столкновений протонов). За время работы до лета 2012 года на LHC произошло примерно 1015 столкновений протонов при энергии 2E=7-8 ГэВ, при этом родилось всего около 103 хиггсовских бозонов, один на триллион столкновений. Выделение сигнала хиггсовского бозона при таком фоне является очень сложной задачей. Набранных до сих данных хватило только для того, чтобы заявить о статистически значимом обнаружении хиггсовского бозона (на уровне 5 сигм).

- Известны ли уже какие-то свойства бозона Хиггса? Какое у него время жизни, масса и так далее?

- Главное, что хиггсовский бозон обнаружен и наконец стала известна его масса. Время жизни ещё не измерено, но поскольку сечение рождения наблюдаемой частицы близко к ожидаемому, то можно предположить и время жизни такой частицы близко к ожидаемому. Ожидаемая ширина хиггсовского бозона при массе 126 ГэВ составляет около Г≈4 МэВ и соответствующее время жизни 1.5•10-22 с. Электрический заряд равен нулю. Другие важнейшие характеристики, такие, как спин (ожидается ноль) и бранчинги (вероятности) распадов по различным каналам, ещё предстоит измерить. На этот счёт имеются предсказания для различных моделей. Очень важна точность измерения этих параметров, поскольку именно небольшие отличия позволят разобраться, какая модель соответствует реальности.

- Как будут измеряться его характеристики? Всё ли можно сделать на LHC, или нужны другие эксперименты?

- На LHC сталкиваются протоны, а хиггсовский бозон рождается, в основном, при взаимодействии глюонов, содержащихся в протонах. Затем хиггсовский бозон распадается на пары WW*, ZZ* бозонов, пары тяжёлых кварков-антикварков , пары лептонов, в пару фотонов и другие моды. Конечные частицы регистрируются в детекторе, и по их энергии и углам рассчитывается масса распавшейся частицы. Например, строится распределение по инвариантной массе двух фотонов. Их рождается очень много, и подавляющее большинство не имеет никакого отношения к хиггсовскому бозону, поэтому они дают некоторое плавное распределение по инвариантной массе.
Фотоны же от распада хиггсовского бозона дают пик в этом распределении при массе хиггсовского бозона. На LHC этот "пик" составляет всего пару процентов от подложки. Именно из-за наличия фоновых процессов так трудно выделить события хиггсовского бозона. Некоторые каналы распада вообще невозможно выделить из-за фоновых процессов. Это является большим недостатком протонных коллайдеров. На них легче, чем на электрон-позитронных коллайдерах, достичь высокой энергии (поскольку они мало излучают при движении в кольце), но труднее выделить редкий процесс, поскольку протоны имеют довольно большие размеры, часто сталкиваются, разваливаются, создавая фоны.
Для детального изучения нужен электрон-позитронный коллайдер. Для рождения хиггсовского бозона достаточно суммарной энергии 240 ГэВ. Хиггсовский бозон будет рождаться в процессе. Фоны будут очень незначительными, можно будет легко измерить вероятности распада Хиггса в различные состояния. Можно даже изменить вероятность распада в невидимые состояния, регистрируя Z бозон и вычисляя недостающую массу.
Сейчас рассматриваются два варианта электрон-позитронного коллайдера: линейный и кольцевой. Преимущество линейного коллайдера в том, что на нём можно достигнуть существенно более высокой энергии, примерно до 3000 ГэВ. На кольцевом же коллайдере продвинуться выше 300 ГэВ практически невозможно из-за больших потерь энергии на синхротронное излучение. На какую энергию строить электрон-позитронный коллайдер, зависит от того, что обнаружат на LHC. Для этого нужно подождать ещё несколько лет, пока на LHC наберут достаточно статистики на максимальной энергии 2E=14 ТэВ.

- Рассчитывают ли учёные на какую-то новую физику от изучения свойств бозона Хиггса? Совпадают ли свойства бозона Хиггса с теми, что прогнозировались Стандартной моделью?

- Набранных данных пока достаточно только для открытия этой частицы, что это не статистическая флуктуация. Тем не менее можно сказать, что количество обнаруженных частиц и вероятности распада по зарегистрированным каналам близки к предсказаниям самого простого варианта модели хиггсовского бозона, хотя есть некоторые отличия.
Требуется большая точность (больше данных), чтобы делать выводы о том, согласуются ли свойства Хиггса с предсказанными. Любые отклонения будут свидетельствовать о новой физике, будут подсказкой, в каком направлении двигаться дальше.

- Что будет, если все ожидания подтвердились и исследовать здесь больше нечего? Куда будет двигаться физика элементарных частиц? Как будут искать физику за пределами Стандартной модели?

- Вообще-то, хиггсовский бозон - это далеко не конец физики частиц. Это, конечно, хорошо, что нашли недостающее звено Стандартной модели. Однако есть задача ещё более захватывающая. Совсем недавно удалось определить среднюю плотность Вселенной и её состав.
Получилось, что все известные виды материи составляют только около 5 процентов плотности Вселенной. В основном, это барионы (протоны, нейтроны, ядра), а также электроны, фотоны, нейтрино. Около 25 процентов - это "тёмная материя", какие-то неизвестные частицы, которые так же, как и обычная материя, сконцентрированы в галактиках. Это весьма твёрдо установленный факт. Для того чтобы удержать звёзды во вращающихся галактиках (включая наш Млечный Путь), необходима примерно в 5-6 раз большая масса, чем та, что наблюдается в галактиках (звёзды и межзвёздный газ).
Оставшиеся 70 процентов плотности Вселенной составляет "тёмная энергия", некая равномерно распределённая по Вселенной...
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Аватара пользователя
morozov
Сообщения: 34561
Зарегистрирован: Вт май 17, 2005 18:44
Откуда: с Уралу
Контактная информация:

Re: Адронный колайдер

Номер сообщения:#17   morozov »

Ivan

Re: БАК( LHC) - прорыв в будущее!

http://elementy.ru/LHC/news?theme=2653111

10.01.13
LHC готовится к протон-ядерным столкновениям

7 января возобновились работы на Большом адронном коллайдере, которые был остановлен в декабре на рождественские праздники. План LHC на ближайший месяц — провести полноценный сеанс столкновений протонов с ядрами свинца. Такой несимметричный вариант соударений нужен физикам для того, чтобы лучше разобраться, в чём именно столкновения двух ядер свинца отличаются от протон-протонных столкновений.

Пробный запуск коллайдера (всего на несколько часов!) в таком режиме уже состоялся в сентябре, и накопленной тогда статистики даже хватило для получения первых научных результатов. Сейчас же этот сеанс продлится до 10 февраля, что позволит в сотни раз увеличить объем данных.

Этот сеанс столкновений ознаменует собой окончание первого этапа работы Большого адронного коллайдера, продлившегося примерно три года. В апреле LHC будет остановлен на два года для работ по ремонту и модернизации, а научные исследования возобновятся лишь весной 2015 года, но уже на повышенной энергии протонов.
____________________
Ivan
http://elementy.ru/LHC/news?theme=2653111

15.02.13
Завершился сеанс протон-ядерных столкновений
Утром 14 февраля завершился длившийся весь последний месяц сеанс протон-ядерных столкновений на LHC. Стоит отметить, что начинался этот сеанс очень тяжело. Первая неделя целиком состояла из мелких поломок, плохой управляемости пучком, замыканий трансформаторов, несрабатываний или ложных срабатываний вспомогательной аппаратуры. В качестве курьеза можно упомянуть, что всю ночь с 15 на 16 января техники не могли справиться с автоматической системой контроля сирен, и им даже пришлось перейти на ручной режим. Эти трудности лишний раз подчеркивают, насколько сложной установкой является коллайдер и обслуживающая его инфраструктура и насколько непредсказуемым может быть его поведение при выходе даже из кратковременного простоя на рождественские каникулы.

Тем не менее, с трудностями техники справились, и набор статистики столкновений протонов с ядрами пошел всё нарастающими темпами. Под конец сеанса пучки содержали уже по несколько сот сгустков. Накопленная за всё это время светимость составила примерно 30 nb–1 на детекторах ATLAS, CMS, и ALICE и примерно на порядок меньшее значение на LHCb. Это был последний пункт научной программы работы Большого адронного коллайдера в 2013 году, и он ознаменовал собой завершение первого трехлетнего цикла полноценной работы коллайдера.

В ближайшие недели пройдет еще несколько технических испытаний, в частности тестирование различных систем магнитов. В конце марта коллайдер будет окончательно остановлен почти на два года для модернизации и технического обслуживания всех его компонентов. Краткая сводка тех работ, которые будут вестись на всех узлах коллайдера и детекторов, приведена на странице Расписание на 2013–2015 годы.

Разумеется, всё это время коллайдер будет продолжать «жить» в научных результатах. Физики будут тщательно анализировать те данные, которые были накоплены в протонных столкновениях в течение всего 2012 года, и время от времени выпускать научные публикации с результатами анализа. Напомним, что к настоящему моменту физики успели обработать лишь небольшую долю всей статистики 2012 года. Поэтому следует ожидать новых серьезных уточнений в свойствах наблюдаемых частиц и новых ограничений на гипотетические модели.

Первый «раунд» обновлений ожидается совсем скоро, на конференции Moriond-2013, которая пройдет со 2-го по 9 марта.
С уважением, Морозов Валерий Борисович

Ответить

Вернуться в «Дискуссионный клуб / Debating-Society»