Aktualności (nie tylko) fizyczne
Pierwsza rocznica odkrycia
Czwartego lipca 2012 roku zespoły badawcze ATLAS i CMS wspólnie ogłosiły odkrycie nowej cząstki, znalezionej w trakcie poszukiwania bozonu Higgsa, ostatniego nieodkrytego obiektu przewidywanego przez Model Standardowy oddziaływań elementarnych (MS).
W marcu bieżącego roku, podczas cyklu konferencji Rencontres de Moriond 2013, uznano, że przeprowadzone do tego czasu analizy materiału dowodowego zebranego w sprawie są wystarczające, żeby przestać mówić o „higgsopodobnej” nowej cząstce i zacząć ją nazywać po prostu bozonem Higgsa. Nadal pozostaje jednak nadzieja, że nie jest to ta jedyna cząstka przewidywana przez MS, tylko jeden z przedstawicieli większej rodzinki, której różne wersje występują w rozszerzeniach MS, a której członków na razie nie widzimy, bo mają zbyt dużą masę lub zbyt słabo sprzęgają się do tego, co zderzenia protonów oferują.
Przyznanie nowej cząstce statusu bozonu Higgsa wiąże się z potwierdzeniem jej oddziaływania z tym, z czym oddziaływać powinna. Pozytywną obserwację uzyskano nie tylko w dwóch „odkrywczych” kanałach (fotonowym: oraz czteroleptonowym: ), za pomocą których zmierzono masę (CMS) oraz (ATLAS), lecz również w pozostałych trzech, w których sygnał powinien być już widoczny przy tej ilości danych, które zostały zebrane (przed zaplanowaną dwuletnią przerwą techniczną w działaniu LHC mającą umożliwić działanie przy zaprojektowanej energii 14 TeV oraz większej o czynnik około 5 świetlności czyli liczbie zderzeń w jednostce czasu).
Tymi trzema kanałami, które masę określają tylko zgrubnie (trudniej jest odróżnić sygnał od tła) są: w którym w stanie końcowym widzimy dwa przeciwnie naładowane leptony oraz brak bilansowania się rzutów pędów na płaszczyznę poprzeczną do kierunku wyznaczonego przez wiązki protonowe (ze względu na nierejestrowane neutrina); w którym w analizie odtwarzamy leptony tau z produktów ich rozpadów (wśród których znów są nierejestrowane neutrina); w którym niezwykle trudno jest wyłuskać sygnał spod przytłaczającego, wiele rzędów wielkości większego tła.
Właśnie w tym ostatnim kanale wynik LHC jest mało przekonywający (choć, w granicach niepewności, zgodny z oczekiwaniami opartymi na MS), ale CERN jest tutaj wspierany przez amerykański Tevatron, który zderzał protony z antyprotonami przy cztery razy mniejszej energii. Tam sygnał w tym kanale jest lepiej widoczny (pomimo mniejszej ilości danych i mniejszej energii), bo silniej reprezentowane są kanały, w których bozon Higgsa produkuje się np. z dodatkowym bozonem pośredniczącym (zderzana była antymateria z materią) ułatwiającym odróżnienie sygnału od tła.
W sumie, w każdym z tych pięciu kanałów połączona istotność statystyczna jest na poziomie przekraczającym (prawdopodobieństwo testowe hipotezy braku sygnału poniżej a w kanałach oraz poniżej ).
Porównywanie różnych kanałów produkcji i rozpadu (każdy bozon Higgsa ma „dwa końce”, jakoś musi zostać wyprodukowany i jakoś się rozpaść) również, w granicach niepewności, zgadza się z przewidywaniami MS.
Dodatkowym testem jest badanie spinu i parzystości nowej cząstki. Bozon Higgsa powinien mieć Można to sprawdzić, porównując obserwowane oraz oczekiwane (dla poszczególnych hipotez) rozkłady kątowe produktów jego rozpadu, do czego najlepiej nadaje się kanał W tym przypadku rozkłady można opisać przez podanie mas dwóch par leptonów oraz sześciu kątów (dwuciałowe rozpady rozpatrywane w układzie masy rozpadającej się cząstki dają cząstki o przeciwnych pędach). Zebrany materiał pozwala na odrzucenie (w zasadzie) wszystkich konkurencyjnych hipotez na poziomie istotności przekraczającym
Warto przypomnieć, że w tym roku obchodzimy więcej rocznic związanych z MS. Pierwsze doniesienie o odkryciu tzw. (słabych) prądów neutralnych, czyli oddziaływania neutrin z materią za pomocą neutralnego bozonu (w odróżnieniu od słabych prądów naładowanych przenoszonych przez , za pomocą których neutrino, oddziałując z materią, zamienia się na odpowiedni lepton naładowany), pojawiło się 40 lat temu, dzięki komorze pęcherzykowej Gargamelle zbierającej dane w CERN-ie, rozpoczynając karierę Modelu Standardowego (Nagrody Nobla dla Sheldona Glashowa, Abdusa Salama i Stevena Weinberga, a później również dla Martinusa Veltmana i Gerarda ’t Hoofta). Zaledwie dziesięć lat później bozony pośredniczące i zostały odkryte, również w CERN-ie, za pomocą zderzacza (a rok później przyznano Nagrodę Nobla Carlo Rubii oraz Simonowi van der Meerowi).
Ciekawe czy sam bozon Higgsa, pozostałość nadającego masę bozonom pośredniczącym mechanizmu Brouta-Englerta-Higgsa (taka nazwa chyba będzie obowiązywać, można jeszcze dodać na końcu Guralnika–Hagena–Kibble’a, z przodu Andersona, a na samym końcu sam Peter Higgs dodaje ’t Hoofta; sam bozon chyba się obroni i pozostanie bozonem Higgsa), oprócz masy będzie zdolny wygenerować Nagrodę Nobla rok po odkryciu.