¿Cómo se confirman experimentalmente en la práctica el modelo estándar y el bosón de Higgs?

Por lo general, resolvemos una ecuación diferencial parcial (analíticamente si podemos, pero a menudo solo podemos hacer cálculos numéricos), donde en la entrada del problema ponemos las cantidades conocidas

La física comenzó con observaciones de la naturaleza, y se desarrollaron las matemáticas que podían modelar las observaciones y medidas y predecir configuraciones futuras.

Comenzando con la geometría de BC, que se desarrolló a partir de las necesidades de medir y planificar el uso de la tierra, hasta las observaciones astronómicas que comenzaron con el sistema geocéntrico y se convirtieron en el sistema heliocéntrico, los modelos matemáticos de la física se desarrollaron lentamente y eran en su mayoría ecuaciones algebraicas.

Con Newton, las ecuaciones diferenciales y el cálculo se convirtieron en la principal herramienta para modelar las observaciones. Las ecuaciones de Maxwell en el siglo XIX son el ejemplo supremo de modelos físicos que utilizan ecuaciones diferenciales para simplificar los modelos y adquirir un enorme poder de predicción. Esto estableció el estándar para el modelado de datos físicos.

El modelo estándar de la física de partículas es el modelo actual que unifica las interacciones electromagnéticas con las débiles y las fuertes, en una lógica similar a la unificación de Maxwell de las interacciones eléctricas y magnéticas con sus formulaciones diferenciales.

El modelo estándar no apareció completo (como Atenea de la cabeza de Zeus). Se fue construyendo lentamente mediante el uso de soluciones de ecuaciones diferenciales durante la segunda mitad del siglo XX, a medida que se construían aceleradores y aumentaban las energías de las interacciones.

Desde la dispersión de Rutherford, que mostró que los átomos tenían un núcleo duro, el núcleo, hasta la dispersión de partículas entre sí del LHC y la medición de su sección transversal, ha sido la principal herramienta experimental para estudiar el microcosmos de las partículas elementales.

El modelo estándar es un modelo que depende de las soluciones de ecuaciones diferenciales (o formulaciones matemáticas equivalentes) en las que las constantes se han ajustado lentamente a los experimentos a medida que las energías aumentaban cada vez más, con una cantidad de constantes desconocidas que deben determinarse experimentalmente.

El modelo está construido alrededor de las simetrías SU(3)xSU(2)xU(1) observadas para ser obedecidas por la plétora de partículas elementales y sus compuestos. El campo de Higgs y la masa del bosón de Higgs que lo acompaña fueron una de las constantes buscadas en la construcción de estos experimentos, para completar o expandir el modelo estándar de acuerdo con los nuevos datos del LHC.

Los datos tomados en el LHC son terabytes de números que describen eventos de dispersión individuales. Aquí hay un evento , todos esos momentos están registrados.

Estos eventos dan distribuciones, como por ejemplo la distribución masiva de Higgs para canales específicos de observación.

Nótese la línea punteada bajo el pico de Higgs. Representa terabytes de datos de eventos Monte Carlo artificiales generados según las ecuaciones diferenciales de la Lagrangiana, con las entradas conocidas, como base para la búsqueda de nueva física no incluida en la formulación. El mecanismo de Higgs en sí mismo no está limitado por los datos anteriores que construyeron el modelo estándar, porque podría estar fuera de la cinemática del LHC o incluso un efecto compuesto. Las predicciones del Modelo Estándar para la masa del Higgs solo tienen un rango. El LHC, entre otros objetivos, se construyó para medir esta masa y definir mejor el SM.

Teniendo en cuenta lo anterior:

en el caso de los experimentos del LHC en el descubrimiento del Higgs, ¿cuál es la entrada?

La entrada son las medidas.

¿Qué es el "cómputo numérico" (y dónde está?

El cómputo numérico es la simulación de eventos según el Modelo Estándar y la comparación con las nuevas medidas por ajustes.

¿Cómo se implementa la teoría? ¿Los experimentadores usan software específico?

La teoría en la columna vertebral de la generación de eventos de monte carlo.

¿Requiere una gran potencia de CPU?) (¿Supongo que no está resolviendo una ecuación diferencial parcial?)

Sí. Se trata de integrar las ecuaciones diferenciales de SM por el método de monte carlo.

? ¿Cuál es típicamente la salida?

Vea el diagrama de Higgs arriba. Distribuciones, angulares, de energía, de momento, de masas invariantes... de la multitud de eventos, elegidos según canales específicos de partículas salientes del proton proton scattering, para ser comparados con los cálculos de Monte Carlo del Modelo Estándar.

Para responder al título:

¿Cómo se confirman experimentalmente en la práctica el modelo estándar y el bosón de Higgs?

El modelo estándar se valida cada vez que nuevos datos concuerdan con él. El descubrimiento del Higgs validó el modelo estándar. Que sea un bosón de Higgs proviene de medir distribuciones angulares y examinar los canales en los que se puede encontrar (puede decaer).

El verdadero objetivo de la física experimental de alta energía es encontrar efectos no predichos por el modelo estándar, lo que requeriría una extensión/modificación/... del mismo.