การค้นพบฮิกส์โบซอน: หนึ่งวันในวิชาฟิสิกส์ที่ไม่เหมือนใคร

เวลาประมาณตีหนึ่งสี่เที่ยงคืนของวันที่ 4 กรกฎาคม 2012 และฉันกำลังวิ่งเพื่อขึ้นรถรางคันสุดท้ายกลับบ้านจากCERNซึ่งเป็นห้องปฏิบัติการฟิสิกส์ของอนุภาคในเจนีวา สวิตเซอร์แลนด์ ฉันเพิ่งใช้เวลาไม่กี่ชั่วโมงที่ผ่านมาเพื่อช่วยในการลงรายละเอียดในบทความสำคัญ (บทความหนึ่งที่ได้รับการแปลเป็น 20 ภาษาในท้ายที่สุด) ซึ่งจะปรากฏบนเว็บไซต์ของการ ทดลอง Compact Muon Solenoid (CMS) ในไม่ช้า ซึ่งเป็นหนึ่งในสองบทความทั่วไป – เครื่องตรวจ

จับอนุภาคอเนกประสงค์ที่Large Hadron Collider (LHC)

ขณะที่ฉันรีบวิ่งไปที่ป้ายรถราง ฉันสังเกตเห็นคิวที่เริ่มก่อตัวนอกหอประชุมหลักของ CERN นักเรียนที่กล้าได้กล้าเสียสองสามคนกำลังหลับอยู่ที่ทางเข้า กระตือรือร้นที่จะได้ที่นั่งว่างจำนวนหนึ่งสำหรับการสัมมนาที่จะเริ่มในเวลา 9.00 น. ของวันนั้น ข้างนอกนั้น ค่ำคืนนั้นปลอดโปร่งและเงียบสงบ แต่อีกไม่กี่ชั่วโมงห้องปฏิบัติการก็จะเต็มไปด้วยผู้คนมากมายและความตื่นเต้น เนื่องจากวันนี้เป็นวันที่ความร่วมมือระหว่าง CMS และATLASจะประกาศการค้นพบฮิกส์โบซอน

ของขวัญวันคริสต์มาสต้น?

ความคาดหมายได้ก่อตัวขึ้นเป็นเวลาหลายเดือนและไม่ได้จำกัดอยู่เฉพาะแวดวงวิทยาศาสตร์ เมื่อวันที่ 13 ธันวาคม 2554 ในการสัมมนาพิเศษส่งท้ายปีที่ CERN โฆษกของ ATLAS Fabiola Gianottiร่วมกับ Guido Tonelli ซึ่งเป็นเพื่อนร่วมงาน CMS ของเธอ ได้นำเสนอผลลัพธ์ล่าสุดจากการค้นหา Higgs boson ของแต่ละความร่วมมือ เป็นเวลาหลายปีที่การสัมมนาของ CERN ได้รับการเผยแพร่สู่สาธารณะ เพื่อเป็นแนวทางในการให้บริการแก่ชุมชนนักฟิสิกส์พลังงานสูงที่กว้างขึ้น ทั้งนักทดลองและนักทฤษฎี แม้จะเป็นงานสัมมนาทางเทคนิคสูง แต่ก็ดึงดูดผู้ชมจำนวนมากนับหมื่นคน รวมถึงนักข่าวจำนวนมากจากทั่วโลก อันที่จริง ทีมไอทีของ CERN ถูกบังคับให้จัดสรรทรัพยากรเพิ่มเติมให้กับบริการสตรีมมิ่ง ทั้งสำหรับการสัมมนานั้นและเพื่อเตรียมพร้อมสำหรับความสนใจว่าการประกาศการค้นพบที่อาจเกิดขึ้นอาจดึงดูดได้ในสักวันหนึ่งในช่วงปลายปี 2554 LHC ได้ส่งการชนอย่างเพียงพอไปยัง ATLAS และ CMS ที่พลังงาน 7 TeV เพื่อให้การทำงานร่วมกันสามารถเริ่มการล่าสัตว์ผ่านช่วงของมวลที่คาดการณ์ว่าจะพบอนุภาคได้ ขณะที่เธอพูด Gianotti แทบไม่สามารถซ่อนความตื่นเต้นของเธอได้เมื่อเธอแสดงภาพนิ่งกับภูมิภาคที่ ATLAS ยกเว้นในการค้นหาฮิกส์โบซอน 

อย่างไรก็ตาม ภูมิภาคที่ยังไม่ถูกกำจัดออก ยังคงวางอุบายต่อไป

มีส่วนเกินเล็กน้อยอยู่ที่ประมาณ 125 GeV โดยมีนัยสำคัญ 2.8 σ – น้อยกว่า 5 σ  ที่จำเป็นอย่างมากในการเรียกร้องการค้นพบ แต่ก็เพียงพอที่จะทำให้ทุกคนที่เฝ้าดูมีความหวังว่าชิ้นส่วนสุดท้ายของแบบจำลองมาตรฐานของฟิสิกส์ของอนุภาคอยู่ในมือของเรา . เมื่อเขาติดตาม Tonelli แสดงส่วนเกินที่คล้ายกันในข้อมูล CMS แม้ว่าการทำงานร่วมกันทั้งสองจะเตือนว่าจำเป็นต้องมีข้อมูลเพิ่มเติมเพื่อตรวจสอบว่าส่วนเกินนั้นเกี่ยวข้องกับสัญญาณจากอนุภาคจริงหรือไม่ แทนที่จะเป็นผลมาจากความผันผวนของพื้นหลังเพียงอย่างเดียว ดูเหมือนว่าคริสต์มาสจะมาถึงก่อนกำหนด

อย่างไรก็ตาม ไม่มีข้อมูลเพิ่มเติมในทันที LHC เป็นเครื่องจักรที่ซับซ้อนอย่างน่าอัศจรรย์และต้องการการบำรุงรักษาเป็นประจำ สัตว์ประหลาดกำลังหลับใหลจำศีลเป็นประจำทุกปีในช่วงเวลาของการสัมมนาเดือนธันวาคม และจะตื่นขึ้นในฤดูใบไม้ผลิเท่านั้น ในเดือนกุมภาพันธ์ พ.ศ. 2555 เซิร์นประกาศว่าเครื่องเร่งความเร็วจะชนโปรตอนด้วยพลังงาน 8 TeV ในปีนั้น ซึ่งเพิ่มขึ้น 0.5 TeV ต่อลำแสง; มันจะทำให้เกิดการชนกันมากขึ้นต่อวินาที ATLAS และ CMS ทั้งคู่เริ่มได้รับการชนกันในวันที่ 5 เมษายน เนื่องจาก LHC ทำลายสถิติการชนของอนุภาคพลังงานสูงสุดด้วยเครื่องเร่งความเร็ว แต่สิ่งที่เปิดเผยข้อมูลใหม่เหล่านี้จะยังคงถูกซ่อนไว้อีกสักระยะหนึ่ง

ข้อมูลแบบปกปิดสองด้าน ภายใต้การแรป

การค้นหาอนุภาคใหม่ที่เครื่องเร่งอนุภาคเกี่ยวข้องกับงานนักสืบ เมื่อโปรตอน 2 ตัวชนกันใน LHC พวกมันอาจสร้างอนุภาคหนักจำนวนเท่าใดก็ได้ รวมถึงสิ่งที่มองไม่เห็นก่อนหน้านี้ เช่น ฮิกส์โบซอน แต่เนื่องจากอนุภาคเหล่านี้ไม่เสถียร พวกมันจึงเปลี่ยนรูปหรือ “สลายตัว” แทบจะในทันทีกลายเป็นอนุภาคที่เบากว่าและเสถียรกว่า เช่น เลปตอน (อิเล็กตรอนหรือมิวออน) และฮาดรอน (เช่น นิวตรอน) ผลิตภัณฑ์ที่สลายตัวเหล่านี้แพร่กระจายผ่านเครื่องตรวจจับอนุภาค เช่น ATLAS และ CMS ทิ้งร่องรอยและพลังงานสะสมไว้ในชั้นต่างๆ ที่ประกอบกันเป็นอุปกรณ์เหล่านี้

ด้วยการรวมสถานะสุดท้ายของเส้นทางและพลังงานของอนุภาคที่ปล่อยเหตุการณ์การชนนับพันล้านครั้งไว้ในเครื่องตรวจจับ นักฟิสิกส์สามารถทำงานย้อนหลังเพื่อระบุว่าอนุภาคดั้งเดิมที่เกิดจากการชนกันคืออะไร โดยทั่วไปข้อมูลจะถูกตรวจสอบโดยใช้ฮิสโทแกรมของมวลของผลิตภัณฑ์ที่สลายตัว โดยมีการกระแทกที่สำคัญในข้อมูลที่สอดคล้องกับการมีอยู่ของอนุภาคเฉพาะ

ในกรณีของการค้นหาฮิกส์โบซอน ฮิสโตแกรมมวลของโฟตอนหนึ่งคู่และเลปตอนสี่ตัวมีความสำคัญอย่างยิ่ง นั่นคือการค้นหามุ่งเน้นไปที่กรณีที่ฮิกส์โบซอนหลังจากผลิตแล้วจะเปลี่ยนเป็นสองโฟตอน หรือกรณีที่มันจะเปลี่ยนเป็น Z boson สองตัว โดยทั้งคู่จะเปลี่ยนเป็นเลปตอนคู่หนึ่งเพื่อให้เลปตอนสี่ตัวในสถานะสุดท้าย ทั้ง ATLAS และ CMS ได้รายงานชุดข้อมูลทั้งสองนี้มากเกินไปเล็กน้อยในการสัมมนาเดือนธันวาคม 2554 ดังนั้นจึงใช้มาตรการป้องกันบางประการเมื่อวิเคราะห์ข้อมูลที่บันทึกไว้ในปี 2555

เพื่อป้องกันไม่ให้อคติในจิตใต้สำนึกเพิ่มประสิทธิภาพการวิเคราะห์เพื่อเพิ่มสัญญาณที่ได้เห็นในปี 2554 การทำงานร่วมกันจึงทำการวิเคราะห์แบบ “ตาบอด” ข้อมูลในพื้นที่มวลซึ่งถูกตัดออกก่อนหน้านี้ถูกนำมาใช้เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการวิเคราะห์ข้อมูลโดยรวม ในขณะที่พื้นที่ที่ไม่ได้ตัดออกยังคงอยู่หลังม่านอุปมาอุปไมย เนื่องจากการปรากฏของฮิกส์โบซอนถูกแยกออกในช่วงที่มีมวลมาก จึงไม่มีความเสี่ยงในการใช้ข้อมูลเหล่านี้เพื่อลดสัญญาณรบกวน และปรับแต่งการประมวลผลข้อมูลอย่างละเอียด พื้นที่จำนวนมากที่น่าสนใจจะไม่ถูกวิเคราะห์จนกว่านักวิทยาศาสตร์จะพอใจกับวิธีการวิเคราะห์ของพวกเขา จากนั้นการวิเคราะห์จะขยายไปยังชุดข้อมูลทั้งหมดโดยเป็นส่วนหนึ่งของกระบวนการ “ไม่เปิดเผย”

สิ่งต่างๆ เคลื่อนตัวอย่างรวดเร็วในส่วนของคันเร่ง และในไม่กี่สัปดาห์ LHC ก็ส่งข้อมูลมากกว่าที่เคยเป็นในปี 2011 ทั้งหมด ในวันที่ 15 มิถุนายน เพียงสองเดือนกว่าหลังจากข้อมูล 8 TeV เริ่มมาถึง Mingming Yang นักฟิสิกส์เชิงทดลองก็ยืนอยู่ในนั้น ต่อหน้าเพื่อนร่วมงาน CMS ของเธอ พร้อมนำเสนอผลลัพธ์ของการเปิดเผยข้อมูล “สองโฟตอน” “ด้วยสิ่งนี้ หัวใจของฉันเต้นเร็วขึ้น” เธอกล่าวขณะที่เธอขอให้พวกเรารวมตัวกันเพื่อเตรียมตัวสำหรับ 15 นาทีข้างหน้า

นี่เป็นครั้งแรกที่ผู้ที่อยู่นอกคณะทำงาน “Higgs to two photon” จะได้เห็นผลลัพธ์ Yang แสดงให้เห็นว่าส่วนเกินในช่องโฟตอนสองช่องจากการรวมข้อมูลในปี 2554 และ 2555 ได้ฝ่าฝืน4 σ ไม่ถึงสองสัปดาห์ต่อมา ในวันที่ 28 มิถุนายนAndré Davidซึ่งปัจจุบันเป็นหัวหน้าแผนกใน CMS ได้นำเสนอผลลัพธ์สำหรับช่อง Higgs-to-two-photons เดียวกัน แต่รวมถึงการเพิ่มข้อมูลใหม่ที่รวบรวมระหว่างกาล

ขณะที่เขายืนอยู่ในหอประชุมหลักของ CERN ในการพูดคุยภายในสำหรับ CMS เดวิดสังเกตว่าด้วยข้อมูลเพิ่มเติม ส่วนเกินที่ 125 GeV ที่ CMS เห็นในขณะนี้มีนัยสำคัญ4.1 σ การพูดคุยของเขากับหอประชุมที่มีผู้คนแน่นขนัดเกิดขึ้นเพียง 16 ชั่วโมงหลังจากเปิดม่านเสร็จ แม้ว่าพวกเราที่ใช้ CMS จะยังคงไม่รู้ว่า ATLAS ตรวจพบอะไรกันแน่ แต่ในไม่ช้า เราก็จะพบว่าข้อมูลของพวกเขาแสดงให้เห็นอะไร

แนะนำ : รีวิวซีรี่ย์เกาหลี | ลายสัก | รีวิวร้านอาหาร | โทรศัพท์มือถือ ราคาถูก | เรื่องย่อหนัง