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

Rozkład masy układu czterech leptonów zawierający sygnał pochodzący od rozpadu bozonu
Higgsa, wstępnie opublikowany przez eksperyment CMS. Dane (ang. Data) pokazane są za
pomocą czarnych punktów z zaznaczoną niepewnością statystyczną (liczba przypadków
rejestrowana w danym binie histogramu traktowana jest jako estymata średniej procesu
Poissona), spodziewane tło – odcieniami szarości, a spodziewany sygnał bozonu Higgsa
o masie
– kolorem. (Na rysunku używany jest tzw. naturalny układ jednostek,
w którym
). W cześci dolnej pokazany jest tzw. ideogram oraz budujące go
przypadki (punkty) wraz z zaznaczoną precyzją estymaty masy, z podziałem na dane przy
dwóch energiach LHC (odpowiednio otwarte oraz pełne kółka). Dodatkowo punkty
odpowiadające trzem różnym stanom końcowym pokazano na czarno, kolorem oraz na szaro.
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.