Warum hat es so lange gedauert, die Higgs zu finden?

Die elektroschwache Theorie sagte uns, wo wir nach dem suchen sollten$W$und$Z$Bosonen messen. Für das Higgs ist seine Masse ein freier Parameter, daher wussten wir nicht, wo wir danach suchen sollten. Sobald Sie anfangen, an vielen Orten nach einem Partikel zu suchen, müssen Sie auch den Look-Eleven-Effekt berücksichtigen, was im Grunde bedeutet, dass je mehr Orte Sie nach einem Partikel suchen, desto höher ist die Wahrscheinlichkeit, dass Sie nur eine statistische Fluktuation beobachten.

LEP

Heute wissen wir, dass die Higgs-Masse ungefähr ist$125$GeV. Der LEP-Collider am CERN erreichte einen Energieschwerpunkt$\sqrt{s}$von$209$GeV. Das hätte ausgereicht, um das Higgs herzustellen. Aber dann,$e^+ e^-$Collider haben nicht den höchsten Higgs-Produktionsquerschnitt. Deine Meinung:

Das Higgs passt auch zu fast allem, also ist es nicht schwer zu machen.

das ist nicht richtig. Das Higgs koppelt nur sehr schwach an Lichtteilchen. Sie müssen also zuerst schwere Partikel produzieren, um eine gute Chance zu haben, auch ein Higgs zu produzieren.

Bei LEP muss das Higgs durch Vektorbosonenfusion erzeugt worden sein, aber nicht genug, um es klar vom Hintergrund zu unterscheiden:

Eine zugehörige Produktion ist auch denkbar, aber der Querschnitt ist sehr klein, da$m_H + m_Z > \sqrt{s}_{LEP}$:

Noch kleiner wäre$ttH$Produktion:

Um es kurz zu machen, bei LEP war die Schwerpunktsenergie einfach nicht hoch genug, da es nicht ausreicht, nur das Higgs zu produzieren, sondern man zuerst schwere Teilchen produzieren muss, die dann an das Higgs koppeln.

Tevatron

Was ist mit dem Tevatron? Sicherlich muss das Higgs im Tevatron reichlich produziert worden sein. Warum haben sie es nicht gesehen? Die Antwort ist, dass sie es gesehen haben. Sowohl CDF als auch$D^0$eine Selbstbeteiligung gemeldet. In der kombinierten Veröffentlichung berichteten sie sogar von einem „Beweis für das Vorhandensein eines neuen Teilchens, das mit dem Standardmodell des Higgs-Bosons übereinstimmt“. Die Kombination beobachtet eine globale Bedeutung von$3.1 \sigma$.

Aber es bleibt die Frage, warum „nur“ a$3.1 \sigma$Exzess, obwohl jahrelange Datenaufnahme? Die Antwort ist zweifach: Erstens war die momentane Leuchtkraft des Tevatron relativ gering, zumindest im Vergleich zum LHC. Das Problem ist, dass die Verwendung eines Proton-Anti-Proton-Colliders Ihnen zwar hilft, die Wirkungsquerschnitte zu erhöhen, die Produktion von Anti-Protonen jedoch notorisch langsam ist und Sie nicht leicht hohe Momentanleuchtkräfte erreichen können.

Der zweite Grund und auch die allgemeine Antwort darauf, warum das Auffinden des Higgs nicht so einfach war, liegt in der Art und Weise, wie das Higgs zerfällt:

Dieses Bild zeigt die Zerfallskanäle des Higgs-Bosons für eine gegebene Masse. Bei$125$GeV, es zerfällt meistens zu a$b\bar{b}$Paar.$b$Quarks hadronisieren und was Sie im Detektor sehen, sind zwei "Jets". Ein Zwei-Jets-Event ist keine besonders saubere Signatur. In einer Hadron Collider-Maschine ist Ihr Hintergrund überwältigend. Soweit ich weiß, auch heute noch die Beobachtung der$H \to b\bar{b}$Signal hat die nicht erreicht$3 \sigma$Niveau in jedem LHC-Experiment.

Es gibt zwei Möglichkeiten, dies zu umgehen: Suchen Sie entweder nach einem Higgs, das mit einem anderen Teilchen erzeugt wurde, oder verlassen Sie sich darauf, dass Higgs in andere Teilchen zerfällt. In einer Higgs-verbundenen Produktion, der$b\bar{b}$Paar wird von a begleitet$W/Z$Boson und die Empfindlichkeit ist viel höher, da der Hintergrund viel kleiner ist. Das haben die Experimente am Tevatron beobachtet.

Higgs verfällt zu$ZZ$oder zu$\gamma\gamma$sind besonders saubere Kanäle. Aber die Verzweigungsfraktion$H \to ZZ$ist$2.67$%, und$H \to \gamma\gamma$ist sogar nur$0.228$%, also brauchen Sie einen großen Datensatz, um diese Zerfälle zu sehen. Ein solcher Datensatz war am Tevatron nicht rechtzeitig verfügbar.

Es ist interessant festzustellen, dass, wenn der Higgs leichter gewesen wäre, er bei LEP reichlich produziert worden wäre, und wir ihn vor langer Zeit gefunden hätten. Wenn es schwerer gewesen wäre, würde der Verzweigungsbruch zu$b\bar{b}$wesentlich kleiner gewesen wäre, und wir hätten es am Tevatron beobachtet. Die Masse von$125$GeV stellte sich aus verschiedenen, oben genannten Gründen einfach als ein Signal heraus, das schwer vom Hintergrund zu unterscheiden war. Deshalb hat es so lange gedauert, die Higgs zu finden.