Nové spôsoby skúmania Higgsovho bozónu

Táto správa pre médiá je súčasťou série spojenej s konferenciou Large Hadron Collider Physics 2020 (LHCP), ktorá sa konala od 25. do 30. mája 2020. Konferencia sa pôvodne mala konať v Paríži, ale kvôli pandémii COVID-19 prebehla výlučne online.

Kolaborácie
ATLAS a CMS predstavili svoje najnovšie výsledky týkajúce sa nových spôsobov detekcie Higgsovho bozónu na Veľkom hadrónovom urýchľovači v CERNe. Patria sem štúdie zriedkavých premien Higgsovho bozónu na Z bozón (ktorý je nositeľom jednej zo základných síl v prírode) a na druhú časticu. Pozorovanie a štúdium premien, ktoré sú predpovedané ako zriedkavé, pomáha rozvíjať naše chápanie fyziky častíc a mohlo by tiež ukázať cestu k novej fyzike, ak by sa pozorovania líšili od predpovedí. Výsledky tiež zahŕňa hľadanie signálov premeny Higgsa na „neviditeľné“ častice, ktoré by mohli vrhnúť svetlo na potenciálne častice tmavej hmoty. Analýzy zahrnuli takmer 140 inverzných femtobarnov experimentálnych dát, čo predstavuje približne 10 miliónov miliárd protón-protónových zrážok zaznamenaných v rokoch 2015 - 2018.

 

Detektory ATLAS a CMS nikdy nevidia Higgsov bozón priamo: je to efemérna častica, ktorá sa premení (alebo „sa rozpadá“) na ľahšie častice takmer okamžite po tom, čo bola vytvorená v zrážkach protónov s protónmi, a ľahšie častice zanechávajú v detektoroch charakteristické stopy. Podobné signály však môžu byť vytvorené aj inými procesmi Štandardného modelu. Vedci preto musia najskôr identifikovať jednotlivé časti, ktoré zodpovedajú tomuto signálu a potom musia nazbierať dostatok štatistických dôkazov, aby potvrdili, že v zrážkach boli skutočne vyprodukované Higgsove bozóny.

 

Higgsov bozón bol pri jeho objave na LHC v roku 2012 pozorovaný hlavne pri rozpadoch na páry Z bozónov a na páry fotónov. Tieto takzvané „rozpadové kanály“ vedú na relatívne jasné signály v detektore, vďaka ktorým je ich detekcia ľahšia. Podľa predpovedí ďalšie rozpady buď zriedka alebo vedú na menej jasné signály a preto je ťažké ich pozorovať.

 

Na konferencii LHCP kolaborácia ATLAS prezentovala najnovšie výsledky svojich hľadaní jedného takého zriedkavého procesu, pri ktorom sa Higgsov bozón premení na Z bozón a fotón (γ). Takto vyprodukovaný Z bozón, ktorý je sám o sebe nestabilný, sa premení na dvojicu leptónov, buď elektrónov alebo miónov, takže v detektore napokon vidieť signál od dvoch leptónov a fotónu. Kolaborácia ATLAS vylúčila možnosť, že by sa viac ako 0,55% Higgsových bozónov produkovaných na LHC premenilo na Zγ. „to analýza ukazuje, že naša experimentálna citlivosť na tento signál sa teraz blíži k predpovedi Štandardného modelu,“ povedal hovorca ATLAS Karl Jakobs.

 

Kolaborácia CMS prezentovala výsledky prvého hľadania rozpadových kanálov Higgsovho bozónu takisto na Z bozón, ale sprevádzaný ρ (rho) alebo φ (phi) mezónom. Z bozón sa opäť premení na dvojicu leptónov, zatiaľ čo druhá častica sa premení na dvojicu piónov (ππ) v prípade ρ a na dvojicu kaónov (KK) v prípade φ. „Tieto rozpady sú mimoriadne zriedkavé,“ povedal Roberto Carlin, hovorca kolaborácie CMS, „a neočakáva sa, že budú pozorované na LHC, iba ak by bola v hre nová fyzika za Štandardným modelom.“ Analyzované experimentálne dáta umožnili kolaborácii CMS vylúčiť možnosť, že by sa viac ako približne 1,9% Higgsových bozónov mohlo rozpadať na pár Zρ a viac ako 0,6% na pár Zφ. Aj keď sú tieto limity zatiaľ omnoho väčšie ako predpovede Štandardného modelu, preukazujú dobrú schopnosť detektorov na hľadanie fyziky nad rámec Štandardného modelu.

 

Takzvaný „tmavý sektor“ zahŕňa hypotetické častice, ktoré môžu tvoriť záhadnú tmavú hmotu, ktorá predstavuje viac ako päťnásobok hmotnosti obyčajnej hmoty vo vesmíre. Vedci sa domnievajú, že Higgsov bozón by mohol byť kľúčom k časticiam tmavej hmoty, pretože podľa niektorých rozšírení Štandardného modelu by sa Higgsov bozón mohol rozpadať na častice tmavej hmoty. Tieto častice by neinteragovali s detektormi ATLAS a CMS, čo znamená, že v nich zostanú „neviditeľné“. To by im umožnilo uniknúť priamej detekcii a prejavili by sa ako „chýbajúca energia“ v danej zrážke. Na LHCP prezentovala kolaborácia ATLAS svoj najnovší horný limit, 13%, na pravdepodobnosť, že by sa Higgsov bozón mohol premeniť na neviditeľné častice známe ako slabo interagujúce masívne častice, tzv. WIMPy, zatiaľ čo kolaborácia CMS predstavila nové horné limity na rozpad Higgsovho bozónu na štyri leptóny prostredníctvom aspoň jedného „tmavého fotónu“.

 

Higgsov bozón sa naďalej ukazuje ako neoceniteľný, pretože pomáha vedcom testovať Štandardný model fyziky častíc a hľadať fyziku, ktorá môže ležať za ním. Toto sú len niektoré z mnohých výsledkov týkajúcich sa Higgsovho bozónu, ktoré boli prezentované na LHCP. Viac sa o nich môžete dozvedieť na webových stránkach kolaborácií ATLAS a CMS.


Technical note

When data volumes are not high enough to claim a definite observation of a particular process, physicists can predict the limits that they expect to place on the process. In the case of Higgs transformations, these limits are based on the product of two terms: the rate at which a Higgs boson is produced in proton–proton collisions (production cross-section) and the rate at which it will undergo a particular transformation to lighter particles (branching fraction).

ATLAS expected to place an upper limit of 1.7 times the Standard Model expectation for the process involving Higgs transformations to a Z boson and a photon (H→Zγ) if such a transformation were not present; the collaboration was able to place an upper limit of 3.6 times this value, approaching the sensitivity to the Standard Model’s predictions. The CMS searches were for a much rarer process, predicted by the Standard Model to occur only once in every million Higgs transformations, and the collaboration was able to set upper limits of about 1000 times the Standard Model expectations for the H→Zρ and H→Zφ processes.

 

Obrázky: https://cds.cern.ch/record/2719664

Linky

 

 

Späť