Dalam video baru-baru ini, saya berbicara tentang sejarah pencarian boson Higgs, khususnya bagaimana berbagai eksperimen mampu mempersempit kemungkinan rentang massa tempat boson Higgs dapat berada. Namun, banyak dari Anda yang meminta detail lebih lanjut—bagaimana setiap eksperimen mendekati masalah tersebut. Itu pertanyaan yang menarik, dan karena itu, karena permintaan populer, itulah yang akan saya bicarakan hari ini.
Selama beberapa dekade terakhir, ada tiga pendekatan berbeda untuk mencari Higgs. Masing-masing pendekatan ini terkait dengan akselerator yang digunakan. Untuk setiap akselerator, ada beberapa kelompok eksperimen, tetapi kelompok-kelompok itu menggunakan teknik yang serupa. Jadi, saya akan menggunakan akselerator untuk mendefinisikan tiga era, khususnya periode LEP, periode Tevatron, dan periode LHC. Akselerator LEP terletak di CERN di Eropa.
Itu beroperasi dari tahun 1989 hingga akhir tahun 2000 dan menumbukkan elektron dan antimateri dari elektron. Energi sinar meningkat selama bertahun-tahun. Dari tahun 1989 hingga 1995, energi tumbukan adalah 91,2 GeV. Kemudian, setiap tahun berikutnya, energi tumbukan dinaikkan. Pada tahun 2000, tahun akselerator berhenti beroperasi, energi tumbukan maksimum adalah 208 GeV. Ngomong-ngomong, untuk memberikan gambaran skala, massa proton adalah sekitar 1 GeV.
Tevatron beroperasi di Fermilab, rumah penelitian saya. Itu beroperasi dari tahun 1986 hingga 2011 dan menumbukkan proton dan antimateri dari proton. Dari tahun 1986 hingga 2001, energi tumbukan adalah 1.800 GeV. Dari tahun 2001 hingga 2011, energi tumbukan adalah 1.960 GeV. Large Hadron Collider, atau LHC, juga beroperasi di CERN. Operasinya dimulai pada tahun 2010 dan berlanjut hingga kini. Akselerator tersebut menumbukkan pasangan proton bersama-sama, dengan energi tumbukan yang meningkat selama bertahun-tahun. Pada tahun 2010 dan 2011, energi tumbukan adalah 7.000 GeV. Selama tahun 2012, ini meningkat menjadi 8.000 GeV.
Dari tahun 2015 hingga 2018, energi tumbukan adalah 13.000 GeV. Dan sejak tahun 2022, energi tumbukan adalah 13.600 GeV. Akselerator tersebut dirancang untuk beroperasi pada 14.000 GeV, sehingga peningkatan di masa mendatang mungkin masih terjadi. Namun, ingatlah bahwa pengumuman penemuan boson Higgs dilakukan pada tahun 2012, jadi hanya kecepatan awal tujuh hingga delapan ribu GeV yang relevan dengan penemuan tersebut. Ketiga akselerator ini mencari boson Higgs dengan cara yang berbeda. Itu karena ada beberapa pertimbangan penting dalam keseluruhan proses.
Yang pertama adalah bagaimana tepatnya akselerator akan menghasilkan boson Higgs. Karena boson Higgs biasanya tidak ada di alam, kita harus membuatnya. Ini menggunakan persamaan Einstein E = mc². Kita mengubah energi sinar menjadi boson Higgs. Dan, karena setiap akselerator menggunakan sinar yang berbeda, cara kita mengubah energi sinar menjadi materi bergantung pada jenis sinar dan energi sinar. Pertimbangan kedua adalah bagaimana boson Higgs meluruh. Boson Higgs, yang terhubung dengan medan Higgs, yang memberikan massa pada partikel, cenderung meluruh menjadi partikel terberat yang diizinkan oleh konservasi energi. Kita sekarang mengetahui massa boson Higgs—sekitar 125 GeV—yang berarti bahwa boson Higgs dapat meluruh menjadi pasangan kuark bawah.
Namun, karena keanehan mekanika kuantum, boson Higgs juga mungkin meluruh menjadi pasangan boson W dan boson Z, meskipun energinya tidak cukup. Aneh, tetapi, yah, begitulah mekanika kuantum. Dan, sebelum boson Higgs ditemukan, mode peluruhan lain mungkin saja terjadi. Pertimbangan ketiga adalah apakah cara peluruhan boson Higgs mudah diidentifikasi atau apakah itu lebih mirip tumbukan pejalan kaki. Lagi pula, dalam tumbukan fisika partikel, segala macam hal terjadi. Jika jenis peluruhan tertentu yang Anda cari dihasilkan jauh lebih sering melalui tumbukan lain, sinyal Higgs dapat disembunyikan, seperti bisikan di konser rock.
Oke-ingatlah bahwa sementara kita sekarang mengetahui massa boson Higgs, sebelum penemuannya, kita tidak mengetahuinya. Kombinasi teori dan pengukuran tepat sebelumnya menunjukkan bahwa massa boson Higgs berada di antara mungkin 90 dan 185 GeV. Atau, tentu saja, mungkin tidak ada sama sekali. Para peneliti yang menggunakan setiap akselerator mempertimbangkan setiap kemungkinan cara di mana boson Higgs dapat dibuat. Mereka kemudian menggabungkan informasi itu dengan jumlah energi yang harus mereka gunakan, dan kisaran massa yang dapat mereka selidiki. Akhirnya, mereka mempertimbangkan kemampuan detektor mereka, berbagai cara di mana boson Higgs dapat meluruh, dan laju interaksi lain dapat meniru produksi boson Higgs. Untuk setiap akselerator, kombinasi spesifik ditentukan sebagai yang paling menjanjikan. Perlu Anda ketahui, para peneliti mencari di mana-mana - hanya saja saya akan memberi tahu Anda tentang yang terbaik. Mari kita mulai dengan akselerator LEP.
Pada tahun 2000, ilmuwan LEP meningkatkan energi sinar dengan harapan menciptakan boson Z dan boson Higgs pada saat yang sama. Kedua partikel tersebut sangat tidak stabil dan cepat meluruh menjadi partikel yang dikenal - elektron, muon, kuark, dan seterusnya. Salah satu contohnya adalah ketika boson Z meluruh menjadi pasangan muon/antimateri muon, sedangkan Higgs akan meluruh menjadi pasangan kuark dasar materi/antimateri. Itu hanya satu contoh.
Para peneliti mengamati semua kemungkinan kombinasi. Meskipun ada beberapa petunjuk menggoda dalam data mereka, para peneliti akhirnya menyimpulkan bahwa mereka tidak melihat apa pun, dan mereka mengesampingkan boson Higgs dengan massa di bawah 114,4 GeV. Tevatron memiliki lebih banyak energi dan, pada prinsipnya, dapat membuat boson Higgs yang terisolasi. Jika itu terjadi dan massa boson Higgs di bawah 160 GeV, boson Higgs akan meluruh lebih disukai menjadi pasangan kuark/antikuark bawah. Di atas 160 GeV, peluruhan yang disukai adalah menjadi pasangan boson W.
Masalah di Tevatron adalah membuat pasangan kuark bawah melalui proses lain sangat mudah. Anda melihatnya sepanjang waktu, yang akan membanjiri sinyal Higgs apa pun. Untuk mengatasinya, ilmuwan Tevatron mencari tumbukan di mana boson Higgs tercipta pada saat yang sama dengan boson W atau Z. Ide dasarnya adalah bahwa tumbukan di mana dua partikel langka tercipta biasanya tidak terjadi. Jadi, karena alasan yang berbeda, baik ilmuwan LEP maupun Tevatron mencari tumbukan di mana boson Higgs dihasilkan pada saat yang sama dengan boson W atau Z. Dan, tentu saja, mereka tidak melihat boson itu sendiri, melainkan produk peluruhan partikel tersebut. Dengan menggunakan pendekatan ini, ilmuwan Tevatron dapat mengesampingkan boson Higgs dengan massa mendekati 160 GeV dan beberapa massa yang lebih rendah, tetapi tidak ada cukup data untuk mengesampingkan semua massa. Perlu diingat, jika Tevatron beroperasi lebih lama dan mengumpulkan data, boson Higgs pada akhirnya akan diamati di Fermilab.
Namun LHC mulai beroperasi, dan energi yang lebih tinggi pada mesin baru tersebut memberinya kemampuan yang tidak dimiliki oleh akselerator LEP dan Tevatron. Tidak seperti Tevatron, yang menumbukkan proton dan antiproton, LHC menumbukkan pasangan proton. Kedua jenis tumbukan ini sangat berantakan, dan sangat rentan membuat peristiwa yang tampak seperti boson Higgs tetapi bukan.
Namun, detektor LHC dibangun dua dekade setelah detektor Tevatron, dan tiga dekade setelah detektor LEP. Detektor baru ini lebih baik. Selain itu, energi yang lebih tinggi dan laju tumbukan yang lebih tinggi pada berkas LHC menghasilkan lebih banyak boson Higgs per detik daripada di Tevatron. Dengan lebih banyak boson Higgs, para ilmuwan dapat melihat peluruhan langka. Peluruhan langka ini sulit dipalsukan dan mudah diukur secara tepat, yang membuatnya lebih mudah untuk mengidentifikasi boson Higgs. Ini memberi ilmuwan LHC peluang yang tidak dimiliki peneliti sebelumnya. Misalnya, satu contoh super-bersih adalah peristiwa di mana boson Higgs meluruh menjadi dua boson Z dan boson Z tersebut meluruh menjadi elektron atau muon. Konfigurasi ini sangat langka, hanya terjadi 0,013 persen dari waktu. Itu sangat langka, tetapi juga tidak sering terjadi oleh fisika yang lebih umum. Lebih jauh lagi, mudah untuk mengukurnya secara akurat. Lalu ada situasi di mana boson Higgs meluruh menjadi dua foton. Itu juga sangat langka, hanya terjadi 0,229 persen dari waktu.
Tetapi, sekali lagi, ini tidak sering terjadi dalam tumbukan yang lebih biasa. Jadi itulah yang dilakukan para peneliti LHC. Mereka mencari contoh boson Higgs dan peluruhan yang super-bersih, tetapi super-langka. Salah satu eksperimen LHC, yang disebut ATLAS, mencari peluruhan boson Higgs menjadi pasangan boson Z, pasangan boson W, atau pasangan foton. Mereka juga mencari peluruhan lainnya, tetapi itu yang paling penting. Eksperimen LHC lainnya, yang disebut CMS, pada dasarnya melakukan hal yang sama. Misalnya, berikut adalah peristiwa di mana boson Higgs meluruh menjadi dua foton. Dan kemudian mereka mengumpulkan banyak data. Plot yang Anda lihat di layar menunjukkan seperti apa data tersebut saat dikumpulkan. Area yang diarsir biru dan hijau adalah apa yang kami prediksi untuk dilihat jika boson Higgs tidak ada. Titik-titik hitam adalah data, dan kurva merah adalah boson Higgs. Kami mulai tidak melihat sinyal, tetapi ketika cukup banyak data yang dikumpulkan, sedikit tonjolan data pada massa 125 GeV terlihat jelas. Jadi pada dasarnya begitulah cara para ilmuwan mencari boson Higgs menggunakan tiga akselerator selama sepuluh atau lima belas tahun. Dan, pada tanggal 4 Juli 2012, kedua eksperimen LHC besar itu bersama-sama mengumumkan penemuannya.
Bahkan lebih baik lagi, kedua percobaan tersebut saling setuju. Pengumuman penemuan boson Higgs pada tahun 2012 bukanlah kata terakhir. Sejujurnya, yang mereka tahu pasti hanyalah bahwa sebuah partikel baru telah diamati. Butuh waktu bertahun-tahun lebih banyak data untuk memverifikasi bahwa partikel yang diprediksi pada tahun 1960-an telah ditemukan. Para ilmuwan melakukannya dengan beberapa cara, tetapi salah satu pengukuran yang lebih meyakinkan adalah dengan memeriksa apakah partikel tersebut meluruh menjadi partikel lain dalam proporsi yang tepat yang diprediksi oleh teori Higgs, dan kita dapat melihat bahwa kedua percobaan LHC memvalidasi prediksi tersebut.
Perlu diingat, ini bukan satu-satunya pemeriksaan silang, tetapi ini adalah pemeriksaan silang yang bagus. Dan semua pemeriksaan silang lainnya menceritakan kisah yang sama. Jadi, saya harap ini menjawab beberapa pertanyaan yang dimiliki beberapa pemirsa. Mencari partikel langka dan tak dikenal adalah pekerjaan yang rumit, yang mengharuskan peneliti memanfaatkan pengetahuan dan kemampuan akselerator serta detektor mereka. Dan, saat mereka melakukannya, alam akhirnya mengungkapkan rahasianya.
Pemateri: Dr. Don Lincoln
Judul Asli: How the Higgs boson was discovered
Sumber: https://www.youtube.com/@fermilab
Komentar
Posting Komentar