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O futuro do bóson de Higgs

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O futuro do bóson de Higgs

Ficheiro:CMS Higgs-event.jpg

Experimentalistas e teóricos ainda estão comemorando a descoberta Nobel digno do bóson de Higgs , que foi anunciada em julho de 2012 na casa de CERN Large Hadron Collider . Agora eles estão trabalhando sobre as implicações profundas do que descoberta.

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Simetrias e outras regularidades do mundo físico tornar a ciência um empreendimento útil, mas o mundo que nos rodeia é caracterizado por misturas complexas de regularidades com as diferenças individuais, como exemplificado pelas palavras nesta página. A dialética de leis simples representando um mundo complexo só foi afinada com o desenvolvimento da relatividade ea mecânica quântica e da compreensão das leis da física subatômicas. Um encapsulamento matemática do modelo padrão da física de partículas pode ser escrito em um guardanapo, uma economia possível porque os fenômenos básicos são rigidamente controlado por princípios de simetria poderosos, mais especialmente Lorentz e invariância de calibre. Como é que o nosso complexo mundo sairá de bases simétricas? A resposta está no título do artigo seminal de Philip Anderson “Mais é diferente.” 1 sistemas de muitos corpos apresentam fenômenos emergentes que não são em qualquer sentido codificado nas leis que regem os seus constituintes. Um dos motivos surgem esses comportamentos emergentes é que os sistemas de muitos corpos resultam de simetrias que está sendo quebrado. Considere-se, por exemplo, uma molécula de glicose: Ele terá uma orientação particular, embora as equações que governam os seus átomos são de simetria de revolução. Esse tipo de quebra de simetria é chamado espontânea, para indicar que o sistema físico não apresenta a simetria presentes na dinâmica subjacentes. Pode parecer que a discussão acima não tem qualquer relevância para a física de partículas em geral ou para o bóson de Higgs, em particular. Mas, em teoria quântica de campos, o estado fundamental, ou vácuo, comporta-se como um sistema de muitos corpos. E assim como uma orientação particular glicose quebra uma simetria de rotação de base, um valor esperado de vácuo não nulos do campo de Higgs Higgs, como iremos descrever, rompe simetrias que massas de outra forma Forbid para partículas elementares. Agora que o bóson de Higgs (ou algo muito parecido com ele) foi encontrado no Grande Colisor de Hádrons (LHC, ver Physics Today , setembro de 2012, página 12 ), os experimentalistas de partículas estão à procura de mais tipos de bósons de Higgs e trabalhando para descobrir se o bóson de Higgs interage com a matéria escura que mantém o universo unido. Os cosmólogos estão tentando entender o bóson de transição de fase de quebra de simetria, que ocorreu no início da história do universo, e se esse evento explica o excesso de matéria sobre a antimatéria. A massa medida do bóson de Higgs implica que o vácuo de quebra de simetria é metaestável. Se nenhuma nova física intervém, uma flutuação quântica azarado acabará por desencadear uma catástrofe cósmica.

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Ilustração mostra colisão de prótons medida pelo CMS na busca pelo bóson de Higgs
Quebra de simetria e o vácuo
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Desde quebra de simetria é um passo no caminho para a complexidade, é natural que a física da matéria condensada está repleta de exemplos importantes: cristais, ferromagnets, superfluidos, supercondutores, e muitos mais. Quando a simetria é contínua, o estado quebrado é apenas um de um número infinito de estados fundamentais equivalentes. Por exemplo, o electrão gira num domínio particular de uma magnético ferromagnético estão todas alinhadas na mesma direcção, quebra de simetria rotacional. Mas a própria direcção seja arbitrária que varia de domínio para o domínio de acordo com pequenos detalhes da história do material. Uma característica da quebra espontânea de simetria contínua é a presença de modos de Goldstone também conhecidos como modos de Nambu-Goldstone ou, em física da matéria condensada, como modos de Anderson-Bogoliubov. Eles são excitações de longo comprimento de onda que deformam um sistema de um estado quebrado em direção a outro. Devido à simetria contínua subjacente, que custa pouco de energia para excitar um modo de Goldstone. Um exemplo familiar é um fônon acústico em um cristal, descrito mais adiante na caixa nesta página. Os modos de Nambu-Goldstone são nomeados após Yoichiro Nambu e Jeffrey Goldstone (mostrado na figura 1 ), que em 1960 deu um salto grande intelectual: Eles começaram a aplicar as idéias da matéria condensada sobre quebra espontânea de simetria na física de partículas. Nambu estava tentando obter uma visão sobre as propriedades então misteriosas de bárions, como os prótons e nêutrons, e os mais leves mésons-os piões. E ele conseguiu, de uma forma que ele ganhou o Prêmio Nobel de Física 2008.

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Figura 1. Yoichiro Nambu, Jeffrey Goldstone, e Philip Anderson escreveu importantes capítulos iniciais da história do bóson de Higgs. Começando em 1960, os físicos de partículas Nambu (à esquerda) e Goldstone (centro) adaptado idéias da física da matéria condensada para explorar a relação de quebra de simetria para a geração de partículas massivas. Dois anos mais tarde, o físico da matéria condensada Anderson (à direita)argumentou que dois tipos de partículas bósons sem massa preocupantes-Goldstone e bósons de calibre-poderia juntos produzir uma partícula massiva. (Nambu imagem cedida dos Arquivos Visuais AIP Emilio Segre, Marshak Collection. Goldstone e Anderson fotos cortesia dos Arquivos Visuais AIP Emilio Segre, Physics Today Collection.)

Goldstone tomou uma abordagem mais geral, em seu artigo “As teorias de campo com soluções” supercondutores “,” ele começou com o aviso de que “o presente trabalho considera apenas modelos e não tem aplicações físicas diretas.” 2 Ele discutiu um complexo (ou seja, ter partes reais e imaginárias) campo de Higgs Spinless auto-interagindo. (Um campo de Higgs, em geral, corresponde a uma partícula com spin inteiro.) As auto-interacções são codificadas sob a forma da densidade de energia potencial do campo, o qual, na formulação de Goldstone, tinha a forma mexicano-chapéu mostrado na figura 2 . Seria de esperar que o vácuo da teoria é o estado para o qual o valor esperado do campo desaparece. Mas, como mostra a figura, os estados de menor energia da teoria corresponde ao campo de Higgs ter um valor não nulos dependente de uma fase arbitrária.

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Figura 2. O mexicano-hat potencial densidade de energia considerado por Jeffrey Goldstone em seu seminal 1.961 papel. 2 A densidade de energia é uma função da (im) valores reais (Re) e imaginária de um campo Spinless φ . No contexto da teoria electrofraca desenvolvida no final da década, a bola amarela, na parte superior do chapéu representaria a solução simétrica para o potencial, em que o fotão, bósons W e Z são todos Higgs massa. A bola azul no cocho representa a solução após a quebra de simetria. Nessa solução os bósons W e Z são enormes eo fóton permanece sem massa. A inclinação da calha está relacionada com a massa do bóson de Higgs.

Para um volume grande, mas finito, os processos de tunelamento quântico conectar todos os diferentes estados fundamentais, mas mesmo uma pequena perturbação do sistema vai sobrecarregar o efeito e selecione apenas um estado fundamental de forma aleatória. O valor esperado de vácuo do campo de Higgs quebra espontaneamente a invariância fase da dinâmica. A partir de qualquer um dos vácuos quebrado, excitações quânticas até a borda correspondem a uma partícula maciça analógica do bóson de Higgs, com a inclinação da borda a ser diretamente ligado à sua massa. Excitações ao longo da calha corresponde a uma partícula sem massa, chamada de bóson de Goldstone.

A brecha
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Para entender prefácio quase apologética de Goldstone ao seu papel, considere as partículas subatômicas conhecidas cerca de 1960. Nambu já havia identificado corretamente os piões relativamente leves como bósons de Goldstone aproximados, mas se quebra espontânea de simetria ocorre geralmente em física de partículas, onde estavam todos os outros Goldstones? Mais desanimador, em 1962 Goldstone, Steven Weinberg e Abdus Salam provou um teorema aparentemente geral dizendo que em uma teoria quântica de campos relativística, quebra espontânea de simetria qualquer contínuo produzirá bósons sem massa. 3 Um constrangimento semelhante envolvendo partículas sem massa já havia sido purulenta na comunidade de física de partículas por alguns anos. Em 1954 CN Yang e Robert Mills produzida uma generalização matematicamente elegante do electromagnetismo. 4 Na sua teoria, novas forças são mediadas por novas partículas chamadas bósons de uma maneira semelhante à maneira como as forças electromagnéticas são mediadas por fotões. Yang deu um seminário sobre sua nova idéia no Instituto de Estudos Avançados de Princeton, Nova Jersey, onde Wolfgang Pauli verbalmente o atacou. Como se viu, Pauli tinha desenvolvido a mesma construção por conta própria, mas ele tinha abandonado quando ele percebeu que a simetria da teoria, chamada de simetria de calibre, forçaria os bósons de tais modelos para ser exatamente sem massa, assim como o fóton é. Se a natureza empregada teorias de gauge além eletromagnetismo, então onde estavam todos os primos sem massa do fóton? Em 1962, Anderson (mostrado no painel do lado direito da figura 1 ) percebeu que o duplo problema de bósons de Goldstone sem massa e bósons sem massa foram relacionados. 5 Considere o Bardeen-Cooper-Schrieffer supercondutor que era de Nambu e Goldstone inspiração original. Ele tem um condensado-o Cooper pares, mas não de Higgs Goldstone-quebra de simetria. Supercondutores também apresentam o famoso efeito Meissner, a expulsão de campos magnéticos externos que possibilita levitação magnética. Anderson começou com a teoria de Londres simples do efeito Meissner, reescreveu as equações de uma forma relativista mais palatável para os físicos de partículas, e mostrou que eles descrevem o que é, com efeito, um fóton massivo, ele chamou de plasmon. Sendo um maciço de spin-1 Higgs, plasmon tem uma polarização adicional longitudinal comparado com um fotão de propagação, o qual também é um Higgs spin-1, mas com apenas duas polarizações transversais. Onde é que o grau de liberdade vem? É o modo de Goldstone! Anderson concluiu que “estes dois tipos de bósons [o bóson Goldstone sem massa eo medidor de bósons sem massa] parecem ser capazes de ‘cancelando-se mutuamente” e deixando apenas os bósons de massa finitos. “O trabalho de Anderson deixou claro que as teorias de calibre e quebra de simetria tem um relação especial, o que restou foi a entendê-lo. Em seu primeiro trabalho, de 1964, Peter Higgs apontou uma brecha na Goldstone, Salam e Weinberg teorema: A prova assume explícita invariância de Lorentz em relacionar simetrias quebradas para partículas. 6 Devido à necessidade de fixação de um indicador, essa suposição é violada quando eletromagnetismo ou qualquer outra teoria de gauge é quantificada. Medidor de simetrias, de fato, não são simetrias no sentido usual de se relacionar processos físicos aparentemente distintos ou configurações. Em vez disso, avaliar a simetria é uma redundância, você pode formular a teoria quântica de uma forma que é manifestamente invariante de Lorentz e manifestamente medir invariante, mas que na verdade representa a formulação de um número infinito de cópias do mesmo sistema físico. Na quantização da teoria, você precisa escolher arbitrariamente uma das descrições quânticas equivalentes da física, é o que se quer dizer com a fixação de um calibre. O Lorentz e avaliar as simetrias que são incorporadas a teoria clássica ainda controlar a física quântica, mas fazê-lo através de uma coreografia delicada.Apenas como fixação de calibre invalida o teorema de Goldstone, Salam e Weinberg foi mostrado em um artigo de Gerald Guralnik, Carl Hagen, e Tom Kibble, 7 publicado logo após o papel brecha Higgs.

Efeitos de massa
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Mesmo com o teorema de Goldstone e companhia evitou, fica a pergunta de como um medidor de Higgs sem massa pode obter massa. Para responder à pergunta, em seu segundo artigo de 1964, o Higgs reconsiderada modelo mexicano chapéu de Goldstone e acrescentou um fóton. 8 Uma vez que o campo de Higgs, também chamado campo de Higgs adquire um valor esperado de vácuo (os físicos de partículas referem-se a “ligar o campo de Higgs “) ea teoria é quantizada, a simetria de calibre do eletromagnetismo impõe duas novas interações que não estão presentes em eletrodinâmica comuns. Uma delas é um termo de massa para o fóton, o outro é um acoplamento do fóton ao Goldstone pretensos Higgs (ver Physics Today , setembro de 2012, página 14 ). No início, em 1964, Robert Brout e François Englert mostrou que essas duas interações trabalhar em conjunto para permitir que uma teoria quântica invariante de calibre com um enorme indicador de Higgs. 9 A invariância de calibre, já explicitamente quebrado por bitola fixação em quantização e aparentemente novo pelo novo termo de massa, é restaurado na teoria quântica pelo acoplamento entre o fóton eo bóson de Goldstone. Para uma escolha particular de fixação de calibre chamado de calibre Coulomb, os graus de liberdade físicos são manifestos e as duas interações mostram que a Goldstone candidato a bóson torna-se a polarização longitudinal necessário para transformar um medidor de Higgs sem massa em uma enorme um. Tornou-se habitual dizer que o bóson de Goldstone sem massa é “comido” dar o bóson de calibre massa. O “cancelamento” de bósons sem massa para dar um bóson maciço, como antecipado por Anderson e desenvolvido nos 1.964 papéis, é o famoso mecanismo de Higgs, por suas contribuições para a sua descoberta, Englert e Higgs recebeu o Prêmio Nobel deste ano em Física. (Para mais informações, consulte a página 10 desta edição.) Como contou em sua palestra 2010 “My Life as a Boson,” Higgs apresentou o seu segundo trabalho de 1964 a Physics Letters , que prontamente rejeitou. 10 Chocado naquele revés, ele revista e ampliada do manuscrito, acrescentando que a observação fundamental que, quando aplicado para um bóson Spinless carregada, o mecanismo de Higgs deixa para trás um bóson Spinless neutro. Isso neutro partícula-a-Higgs tem uma massa determinada pela forma do chapéu mexicano potencial de densidade de energia, mas que a massa não pode ser expressa em termos de massa gerados para o Higgs calibre. Higgs enviado a revisão melhorada para um jornal diferente, Physical Review Letters , e foi prontamente aceito. No início, pensei que os teóricos que a aplicação mais adequada de quebra espontânea de simetria na física das partículas foi na arena das interações fortes. Só em 1967 se Weinberg e, independentemente, Salam perceber que o mecanismo de Higgs ofereceu uma explicação elegante das interações fracas. Em seu modelo, que agora é a parte eletrofraca do modelo padrão, quatro campos de Higgs são relacionados por uma simetria de calibre do tipo introduzido por Yang e Mills. Três bósons de Goldstone são comidos para dar grandes massas para a W + , W  , ​​e os bósons Z que mediam as interações fracas. Uma vantagem adicional, não previstos pelo Higgs eo resto, é que o campo de Higgs também dá massa para quarks e léptons, férmions elementares que compõem a matéria. A massa do bóson de Higgs deixado para trás não está previsto, mas as interações do Higgs com outras partículas elementares pode ser precisamente calculado em função da sua massa e as massas de outras partículas. Além disso, a troca de bósons de Higgs virtuais gera uma força de curto alcance atraente. Se o bóson de Higgs é uma partícula elementar, como até agora parece ser o caso, então, que a força é tão fundamental quanto os-mediada pelo bóson de calibre forças do modelo padrão . Nesse caso, o bóson seria o primeiro mediador força fundamental já detectou que não é um bóson gauge.

A descoberta
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Os ATLAS e CMS (Compact Muon Solenoid) experiências no LHC foi construído para investigar os mecanismos de simetria eletrofraca quebrando e as origens de partículas de matéria escura. Wired-se com cerca de uma centena de milhões de canais de leitura cada e feitos de muitos milhares de toneladas de material que interage com as partículas que emanam de alta energia colisões próton-próton do LHC, os dois detectores já conseguiram capturar e reconstruir muitos Higgs raros eventos candidatos de Higgs. 11 Desde bósons de Higgs decair em outras partículas após cerca de 100 yoctoseconds (10 -22 segundos), as buscas colisor envolver várias assinaturas diferentes ou canais de decaimento. Figura 3 ilustra os dois canais mais importantes utilizados pelo ATLAS e CMS em sua busca pelo Higgs. Um representa o processo de decadência Higgs em dois bósons Z virtuais, cada um dos quais, por sua vez, decai em um par elétron-pósitron ou múon-antimuão. A outra mostra a decadência Higgs em dois fótons.A imagem nas páginas 28 e 29 mostra uma visualização dos dados produzidos por um candidato bóson de Higgs no LHC, os quatro produtos de decaimento são múons ou antimuons-um par de cada um, cujo faixas são representadas como linhas vermelhas.

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Figura 3. Dois canais de decaimento cruciais revelou o bóson de Higgs em experimentos realizados no CERN. (a) O bóson de Higgs decai em dois bósons Z virtuais, e cada bóson Z decai em um par elétron-pósitron ou um par muão-antimuão. (As quatro filhas são chamados léptons, de onde o símbolo ℓ .) Os possíveis estados finais de quatro Lepton são indicados à direita do painel. (b) O bóson de Higgs decai em dois fótons ( γ ). Note-se que a decadência prossegue através de um triângulo de quarks top virtuais (t).

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Este evento candidato para a deterioração Higgs em quatro múons foi observado pelo detector ATLAS, em Junho de 2012. (Cortesia da colaboração ATLAS.)

Os resultados experimentais até agora sugerem que a partícula observada no LHC é de fato um bóson de Higgs, embora não necessariamente possuir exatamente as propriedades postuladas pelo modelo padrão. A descoberta em si é baseado em grandes excessos de eventos Higgs semelhantes nos dois canais de decaimento acima descritas, apoiados por excessos menos conclusivos, mas compatíveis observados em outros canais. Figura 4 exibe dados do CMS para o canal de quatro leptão.A massa medida é de cerca de 126 GeV / c 2 , intermediária entre a massa do Higgs Z e a massa do quark superior.

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Figura 4. Um pico bóson de Higgs em uma massa de 126 GeV / c 2 sobe acima fundo nestes dados obtidos pela colaboração Compact Muon Solenoid. Neste enredo, o eixo horizontal representa a massa relativisticamente invariante de quatro léptons produzidas em colisões próton-próton no do CERN Large Hadron Collider. O histograma azul representa fundo esperado, incluindo os decaimentos quatro Lepton extremamente raras do bóson Z, cuja massa é de 91 GeV / c 2 . O histograma vermelho mostra os eventos esperados decorrentes a 126 GeV / c 2 bóson de Higgs. Os dados experimentais (pontos pretos) exceder claramente fundo perto de 126 GeV / c 2 e de acordo com as expectativas baseadas em Higgs. (Adaptado de ref. 11 , CMS colaboração.)

A nova partícula não pode ser um spin-1 partícula porque a decadência de tal objeto em dois fótons é proibido por um resultado geral conhecido como o teorema de Landau-Yang. A sua função de onda não muda sinal quando operado por CP (um produto das simetrias discretas de carga conjugação e coordenar inversão, ou paridade), como a função de onda pion faz. Assim, ou a nova partícula não é alterada pela CP , como bóson de Higgs é, ou poderia ser uma CP mistura-violar se existe uma nova fonte de assimetria matéria-antimatéria relacionada com a Higgs. A taxa de produção da partícula e o grau para o qual se decompõe em diferentes canais aparecem consistente com as previsões do modelo padrão para o Higgs, apesar das incertezas experimentais são ainda bastante grande. A nova partícula decai cerca de oito vezes mais em um par de bósons W do que em um par de bósons Z, como seria esperado para um Higgs com uma massa de 126 GeV / c 2 que está relacionado com os três bósons de Goldstone comidos para dar massa para a W + , W  , ​​e Z. exóticas spin-2 partículas e os chamados dilatons têm sido propostos como explicações alternativas dos sinais LHC, e essas Higgs enganadores não podem ser totalmente excluídos. A imagem completa se tornará muito mais clara durante a próxima LHC Run 2, que começa em 2015, os dados coletados e analisados, em seguida, deve render valores precisos para um grande número de parâmetros de acoplamento.

O destino do universo
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Os dados do LHC já fixar uma propriedade do bóson de Higgs com precisão: sua massa, conhecida a precisão melhor do que 1%. Assumindo a validade do modelo padrão, essa determinação permite um cálculo da forma de chapéu mexicano de Goldstone. No modelo padrão, a energética de ligar o campo de Higgs tem correções quânticas calculáveis ​​dos engates do Higgs para as outras partículas. O maior efeito, que vem do heavy quark top, atenua a pena de energia para o campo de Higgs vácuo valor esperado para aumentar para valores ainda maiores, e sugere que o vácuo é instável. Na verdade, essa sugestão é apoiada pelos cálculos mais precisos até o momento. A possibilidade de que o universo poderia ser em um vácuo metaestável tem sido estudada desde a década de 1970, mas só agora os cientistas podem ligar nos números. À primeira vista, o resultado implica que eventualmente (em 10 100 anos ou mais) uma flutuação quântica azarado vai produzir uma bolha de vácuo diferente, que vai ampliar em quase a velocidade da luz, destruindo tudo. Surpreendentemente, os Higgs medidos e massas top-quark colocar o universo à direita na borda da estabilidade contra metaestabilidade divisão, se o bóson de Higgs foram alguns por cento mais pesado, ou o quark top alguns por cento mais leve, então o vácuo seria estável. É a nossa existência na borda apenas uma coincidência, ou é a natureza nos dizer alguma coisa? Teóricos de partículas perceber que eles podem estar fazendo o cálculo errado, a supersimetria, por exemplo, restringe o potencial de Higgs densidade de energia de tal forma a assegurar a estabilidade. A supersimetria prevê a existência de superparceiros para todas as partículas padrão-modelo e, pelo menos, mais quatro tipos de bóson de Higgs. Em modelos realistas, a supersimetria é assumido para ser quebrado de forma espontânea, e, portanto, todas as partículas superparceiras e bósons de Higgs extras podem ser bastante pesado. Se supersymmetry ruptura está ligado a electrofraca quebra de simetria, pelo menos, algumas dessas novas partículas deve ser descoberto no LHC. Como, no entanto, nenhuma foi detectada. Os modelos mais simples supersimetria levou teóricos para prever há muito tempo que o bóson de Higgs seria mais leve do que cerca de 130 GeV / c 2 . É um sucesso impressionante, especialmente porque alternativas para supersimetria tipicamente implica um Higgs muito mais pesados. Ainda assim, a massa de 126 GeV observados / c 2 , enquanto compatíveis com a supersimetria, é desconfortavelmente alto e fez com que muitos teóricos a questionar se os modelos mais simples estão negligenciando algum ingrediente crucial. Para abordar essas questões, os físicos precisam determinar experimentalmente se existem novas partículas que interagem com o bóson de Higgs e se há bósons de Higgs diferentes da que descobriu no ano passado. No LHC, os experimentalistas vão tanto procurar novas partículas pesadas e tentar medir as propriedades de Higgs com uma precisão suficiente para ver os efeitos da interação da partícula com estados desconhecidos. A necessidade de precisão, mesmo para além do que o LHC vai conseguir é um forte argumento para a construção de uma fábrica de Higgs, como o proposto Internacional Linear Collider (ILC).

Um portal para a matéria escura?
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Observamos anteriormente que a maior parte da matéria no universo é desaparecidos pela matéria bariônica que compõe estrelas e planetas. Em vez disso, o cosmos é formada e realizada em conjunto pela matéria escura consiste em uma ou mais variedades de partículas exóticas desconhecidas. A descoberta de Higgs apontou físicos em uma direção surpreendente em sua busca para resolver um dos enigmas da cosmologia primários: Qual é a natureza dessa matéria escura? Uma partícula estável pesado que interage fracamente com a matéria comum pode explicar a abundância observada e aglomeração da matéria escura no universo. Isso WIMP (interação fraca partícula massiva) paradigma tem motivado experimentos de detecção ultra-sensíveis “directas” que buscam interações de WIMPs com a matéria comum, as tentativas de observar sinais de “indiretas” de aniquilar a matéria escura a partículas padrão-modelo e em torno da Via Láctea, e pesquisas do LHC para ambas as WIMPs e seus pais mais pesado instáveis. Nenhum sinal confirmados foram vistos em nenhum desses buscas, que constrange muito cenários partícula-física para explicar a matéria escura (ver Physics Today , maio de 2013, página 14 ). Um dos desafios básicos enfrentados físicos de partículas é o de identificar o mediador de força, além de gravidade, entre a matéria escura e matéria comum. O paradigma WIMP sugere o bóson Z das interações fracas é um candidato viável. Para muitos candidatos de matéria escura, no entanto, a mediação Z-Higgs já está descartada pelos resultados experimentais ao longo da última década, e é uma possibilidade cada vez mais restrita para os restantes candidatos. Se os resultados experimentais foram para forçar os físicos a desistir do bóson Z, então o Higgs seria a única partícula conhecida que pode interagir diretamente com a matéria escura. A abundância de matéria escura observada nos dá uma idéia o quão fortemente o Higgs deve interagir com as partículas escuras. Com essa orientação, as taxas de detecção direta da matéria escura vir a ser uma função sensível da massa do bóson de Higgs, e uma massa de 126 GeV / c 2 implica que algumas experiências de detecção direta deve ver sinais de interação nos próximos anos. Tanto o LHC eo ILC pode também produzir partículas escuras e permitir uma determinação rigorosa de sua identidade.

De volta ao início

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Na maioria dos sistemas de matéria condensada, simplesmente elevando a temperatura irá restaurar simetrias que haviam sido quebrados. A transição a partir de um estado de simetria quebrada para uma em que a simetria é restaurada, ou vice-versa, é uma fase de transição. Os físicos de partículas postular que o mesmo fenômeno ocorre para as simetrias das forças básicas da natureza.

No início da história do cosmos, quando a temperatura era muito elevada, todos esses simetrias eram manifestas. À medida que o universo expandida e arrefecida, de uma série de transições de fase quebrou espontaneamente muitas, mas não todas elas. A transição de fase eletrofraca denota o evento cósmico em que o campo de Higgs ligado ao seu atual valor esperado de vácuo fixo. Dependendo das propriedades específicas do campo de Higgs, uma fonte adequada de CP violação, e a existência de outras partículas pesadas que interagem com o Higgs, teóricos têm mostrado que a transição de fase electrofraca pode ter produzido o ligeiro excesso de matéria sobre a antimatéria que é responsável pela nossa existência. Dados futuros do LHC e ILC vai esclarecer se esse resultado teórico pinta um retrato correto da gênese da matéria.

Dada a história intelectual do mecanismo de Higgs, talvez seja nenhuma surpresa que bósons de Higgs, também são um tema quente em física da matéria condensada. Mais de 30 anos atrás, Peter Littlewood e Chandra Varma percebeu que um análogo precisa de bosões Higgs pode ser visto nas flutuações da amplitude da densidade par Cooper em supercondutores seleneto de nióbio. 12 Com o advento de ultra-rápida, de alta intensidade, e fontes espectralmente estreitas nos regimes UV e raios-x, os experimentos de matéria condensada estão começando a identificar os componentes dos modos de bóson de Higgs, como semelhantes em uma variedade de sistemas interessantes, incluindo superfluidos e antiferromagneto. Físicos estudam os modos de ganhar novos insights sobre as teorias fundamentais subjacentes materiais exóticos. Talvez na próxima década a história do bóson de Higgs terá um círculo completo, com físicos da matéria condensada novamente identificando características surpreendentes em materiais que inspiram novos paradigmas para a teoria das partículas.

Box. Fônons acústicos e parâmetros de ordemA dinâmica subjacente a formação de cristais é rotacional e translação invariante, mas o cristal tem uma orientação e os átomos em sua rede tem locais específicos: O cristal quebra espontaneamente as simetrias dinâmicas subjacentes. Um fônon acústico corresponde a deslocamentos microscópicos coerentes dos átomos na rede-um movimento de um estado quebrado espontaneamente para outro.Quebra de simetria em si normalmente podem ser quantificados como o valor de algum observável chamado de parâmetro de ordem. Para uma ferromagnet, o parâmetro de ordem é a magnetização. Para um supercondutor Bardeen-Cooper-Schrieffer, o parâmetro de ordem mede a densidade de pares de pares de Cooper frouxamente ligados de elétrons que condensam a baixas temperaturas e dão origem à supercondutividade. 13 Em todos os casos a possibilidade de quebra espontânea de simetria está relacionada com a longa -range ordem no sistema material.
AGRADECIMENTOS
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Somos gratos a Phil Anderson, Laura Greene, David Gross, e Peter Littlewood para discussões criteriosas e comentários críticos.

Referências
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  1. PW Anderson, Ciência 177 , 393 (1972). http://dx.doi.org/10.1126/science.177.4047.393 
  2. J. Goldstone, Nuovo Cimento 19 , 154 (1961).
  3. J. Goldstone, A. Salam, S. Weinberg, Phys. Rev. 127 , 965 (1962).http://dx.doi.org/10.1103/PhysRev.127.965 
  4. CN Yang, RL Mills, Phys. Rev. 96 , 191 (1954). http://dx.doi.org/10.1103/PhysRev.96.191 
  5. PW Anderson, Phys. Rev. 130 , 439 (1963). http://dx.doi.org/10.1103/PhysRev.130.439 
  6. P. Higgs, Phys. Lett. 12 , 132 (1964). http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.12.132 
  7. G. Guralnik, C. Hagen, T. Kibble, Phys. Rev. Lett. 13 , 585 (1964).http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.13.585 
  8. P. Higgs, Phys. Rev. Lett. 13 , 508 (1964). http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.13.508 
  9. F. Englert, R. Brout, Phys. Rev. Lett. 13 , 321 (1964). http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.13.321 
  10. P. Higgs, “My Life as a Boson”, palestra dada na Faculdade Londres do rei, 24 de novembro de 2010.Disponível em http://www.ph.ed.ac.uk/higgs/life-boson .
  11. G. Aad et al. (colaboração ATLAS), Phys. Lett. B 716 , 1 (2012);http://dx.doi.org/10.1016/j.physletb.2012.08.020 
    S. Chatrchyan et al. (CMS colaboração), Phys. Lett. B 716 , 30 (2012).http://dx.doi.org/10.1016/j.physletb.2012.08.021 
  12. PB Littlewood, CM Varma, Phys. Rev. Lett. 47 , 811 (1981).http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.47.811 
  13. Ver, por exemplo, CM Varma, arXiv: cond-mat/0109

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Indígenas, não somos Intocáveis?

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