Erklärt auf Stufe 5 Semester Physikstudent (also vor QFT, aber weit über das Niveau eines Zeitungsartikels für Nicht-Physiker hinaus, der alle Details vermeidet und nur auf Analogien eingeht) ...
Was wurde vor einigen Tagen am CERN gemessen?
Sobald Sie ein Ereignis haben (wie @ user1504 in seiner Antwort beschreibt), dh eine Proton-Proton-Wechselwirkung, und die vier Vektoren aller Wechselwirkungsprodukte haben, dh Jets, Photonen, Leptonen, können Sie unveränderliche Massen der Wechselwirkungsprodukte erzeugen. Das Higgs-Teilchen wurde theoretisch vorhergesagt und ist das letzte Puzzleteil, das das Standardmodell zu einem Bild zusammengefügt hat. Die unveränderliche Masse von zwei Photonen zeigt eine Verstärkung, die mit den Higgs-Eigenschaften übereinstimmt. In geringerem Maße auch die invarianten Massen von ZZ. Die kombinierte Statistik aller möglichen Zerfallskanäle des gesehenen Higgs gibt eine 5-sigma-Sicherheit, dass die Resonanz vorhanden ist und das erwartete Zerfallsverhalten innerhalb der Statistiken der einzelnen Zerfallskanäle hat.
Was sind die wesentlichen Bestandteile der Theorie, die notwendig sind, um diese Messung zu interpretieren? Und wie können wir aus den Ergebnissen ableiten, dass ein neues Feld/Teilchen beobachtet wird?
Der theoretische Teil ist eine andere Frage und sollte unabhängig gestellt werden: warum und wie die Standardmodelltheorie alle Teilchendaten berücksichtigt.
Dass ein neues Teilchen mit 5-Sigma-Sicherheit beobachtet wird, sagen uns die Daten, und es ist neu, weil wir vor den vorliegenden Experimenten noch nie eine 125-GeV-Resonanz beobachtet haben.
Um abzuschätzen, ob es sich um das von der SM-Theorie erwartete Higgs-Teilchen handelt, braucht man gute Statistiken in allen Zerfallskanälen plus Winkelverteilungen, die die Spinparität bestimmen. Das theoretische Higgs hat 0 Spin und positive Parität.
Wie liest man die relevantesten Grafiken in der Präsentation der Ergebnisse?
Die Resonanz ist in Abb. 3 deutlich . Das Sigma dieses Kanals ist allein seine statistische Signifikanz für ihn. Ähnlich für den ZZ-Kanal, Abb. 4. Abb. 5 gibt die Wahrscheinlichkeit an,
Die beobachtete Wahrscheinlichkeit (lokaler p-Wert), dass die Nur-Hintergrund-Hypothese die gleichen oder mehr Ereignisse ergeben würde, die in den CMS-Daten zu sehen sind, als Funktion der Masse des SM-Higgs-Bosons für die fünf betrachteten Kanäle. Die durchgezogene schwarze Linie zeigt den kombinierten lokalen p-Wert für alle Kanäle.
Sie haben hier viel verlangt, also werde ich nur eine Teilantwort geben. Hoffentlich werden andere Leute weitere Details hinzufügen.
Ich möchte über die Größen sprechen, die wir mit Teilchendetektoren messen.
Teilchenexperimente befassen sich mit der effektiven Physik von Quantenfeldern bei hoher Energie und niedriger Dichte. Die meisten Experimente am CERN messen die Energie und/oder den Impuls, die von einem Teilchen innerhalb eines bestimmten Raumvolumens um den erwarteten Kollisionspunkt herum abgegeben werden. Ein Hadronenkalorimeter zum Beispiel ist im Grunde ein großes Stück Metall, das von Photonenzählern umgeben ist. (Weitere Beispiele finden Sie auf den schönen Wikipedia-Seiten zu ATLAS & CMS.) Stark wechselwirkende Teilchen, die aus der Kollision kommen, prallen auf die Elektronen und Nukleonen im Metall und beschleunigen sie, wodurch sie Photonen ausstrahlen. Die Photonen werden von den Photonenzählern erfasst, und Sie können aus den Photonenankunftszahlen errechnen, welche Art von Teilchen wo in Kerne eingeschlagen sein könnten (bis auf einen kleinen Bruchteil eines Steradianten). Aus Masse, Winkel und Energie kann man den 4-Impuls rekonstruieren und aus der Sammlung von Teilchenarten und 4-Impuls die Wirkungsquerschnitte und Verzweigungsverhältnisse empirisch erarbeiten.
Sie können dieses Zeug auch aus einem QFT-Modell extrahieren. Ob Sie die Störungstheorie oder Monte-Carlo-Simulationen oder die Kernphysik der alten Schule verwenden, hängt davon ab, zu welcher Beobachtungsgröße Sie Daten haben. Bei den Higgs-Messungen, die in den Nachrichten erschienen, ist es hauptsächlich die Störungstheorie, um zu den empirischen Vorhersagen aus der Theorie zu gelangen. (Die empirischen Messungen stützen sich jedoch zur Kalibrierung stark auf numerische Berechnungen, die in Situationen durchgeführt werden, in denen die Störungstheorie schwierig ist.)