Znaleziono bozon będący kandydatem na cząstkę Higgsa – taki komunikat został przekazany dzisiaj, czwartego lipca 2012 r., podczas specjalnie zorganizowanej konferencji w Europejskiej Organizacji Badań Jądrowych CERN.

Artykuł przygotował Marcin Patecki.

Model standardowy zakłada, że w przyrodzie istnieją cztery rodzaje oddziaływań: elektromagnetyczne, słabe, silne oraz grawitacyjne. Model określa również cząstki z których składa się materia: 6 kwarków (z nich zbudowane są hadrony), 6 leptonów (elektron i dwie cięższe cząstki elektronopodobne oraz trzy neutrina) oraz bozony będące nośnikami oddziaływań (foton, gluon, cząstki W i Z oraz hipotetyczny grawiton). Do tego każdej cząstce odpowiada antycząstka.

Założenia Modelu Standardowego zgadzają się z obserwacjami eksperymentalnymi na przestrzeni ostatnich 100 lat, dzięki czemu jest powszechnie akceptowany w fizyce cząstek elementarnych. Nie oznacza to jednak, że jest kompletny – wciąż nie jest wystarczający, żeby wyjaśnić wszystkie wyniki doświadczalne.

W latach 60. ubiegłego wieku udało się połączyć oddziaływania elektromagnetyczne i słabe do jednego oddziaływania – elektrosłabego. Inaczej – udało się pokazać, że oba oddziaływania wywodzą się z tego samego mechanizmu, a poprzez badanie jednego z nich można uzyskać informacje o drugim. To wielkie osiągnięcie fizyki teoretycznej postawiło kolejny problem – złamanie symetrii. Skoro te oddziaływania sprowadzają się do jednego, to skąd tak wielka różnica w bozonach przenoszących te oddziaływania? Co sprawia, że foton ma zerową masę spoczynkową, a bozony W i Z blisko 100 GeV? Innymi słowy, co powoduje złamanie symetrii?

Model Standardowy w powszechnie znanej wersji nic nie mówi o masach cząstek elementarnych. Próbą rozwiązania tego problemu jest wprowadzenie do Modelu Standardowego dodatkowej cząstki – bozonu Higgsa, a więc dodatkowego rodzaju oddziaływania, które definiuje masy innych cząstek. W uproszczeniu można powiedzieć, że cząstka elementarna jest tym masywniejsza im silniej oddziałuje (sprzęga się) z polem Higgsa.

Mechanizm Higgsa, zaproponowany w 1964 roku, czekał prawie 50 lat na wyniki badań sugerujące jego prawdziwość. Potwierdzeniem tej teorii miało być doświadczalne znalezienie bozonu Higgsa. Na pierwsze jej ślady natrafiono już w akceleratorze LEP w CERN, jednak energia zderzeń była zbyt niska, żeby móc potwierdzić jej istnienie. W tym celu CERN zdecydował się na budowę nowego eksperymentu – LHC (Large Hadron Collider), którego jednym z głównych zadań miało być wykrycie bozonu Higgsa. W międzyczasie publikowane były wyniki z akceleratora Tevatron w FermiLab, ale ich poziom ufności był zbyt niski do jednoznacznego potwierdzenia tej teorii.

LHC jest synchrotronem zaprojektowanym do zderzeń proton-proton oraz ołów-ołów przy rekordowych energiach w środku masy, odpowiednio 14 TeV i 5,52 TeV. Dla wykrycia cząstki Higgsa istotne były zderzenia protonów; pierwsze dane dla zderzeń przy energii 7 TeV pojawiły się w 2010 roku.

Wówczas spodziewano się, że wykrycie cząstki Higgsa jest tylko kwestią czasu. Okazało się jednak, że na wiarygodne wyniki trzeba było czekać długo, bo aż do połowy 2012 roku.

4 lipca w CERN zwołano konferencję podczas której ogłoszono wyniki eksperymentów ATLAS i CMS. Oba są dużymi detektorami ogólnego przeznaczenia, dla których jednym z głównych zadań było znalezienie bozonu Higgsa. Celowo zostały zaprojektowane i zbudowane w odmienny sposób, żeby w przypadku ewentualnego odkrycia do maksimum wykluczyć czynniki aparaturowe.

Oba eksperymenty dały pokrywające się wyniki. Poszukiwanie cząstki Higgsa sprowadzało się tak naprawdę do odszukania produktów rozpadu tej cząstki. Z założeń teoretycznych wynika, że jeżeli w wysokoenergetycznym zderzeniu dojdzie do produkcji cząstki Higgsa, to praktycznie natychmiast rozpadnie się ona na inne, lżejsze cząstki. W eksperymentach szukano więc produktów rozpadu, a konkretnie par fotonów oraz czwórek złożonych z mionów i elektronów (dwóch par elektron-antyelektron lub dwóch par mion-antymion, lub pary elektron-antyelektron i pary mion-antymion). O wyborze tych cząstek do poszukiwań decydowały czynniki detektorowe – zainstalowane detektory pozwalają z dużą precyzją zmierzyć parametry tych cząstek.

Taka analiza jest bardzo trudna, ponieważ w wyniku zderzenia rejestrowanych jest dużo cząstek różnego pochodzenia. Trudność polega na odróżnieniu cząstki powstałej z Higgsa od cząstki wyprodukowanej bezpośrednio lub z rozpadu innej cząstki. Uzyskuje się to poprzez wyznaczenie rozkładu masy niezmienniczej wykrytych fotonów i leptonów. Na przykład jeśli udało się zarejestrować konkretną liczbę fotonów oraz wyznaczyć ich energię, to wykonując histogram sumy energii pary fotonów dostaniemy pewien rozkład, który będzie miał maksimum odpowiadające energii cząstki pierwotnej. Położenie tego maksimum informuje jednocześnie o energii cząstki pierwotnej.

Rozkład masy niezmienniczej par fotonów w danych CMS (Compact Muon Solenoid) zebranych w latach 2011 i 2012 (czarne punkty ze słupkami błędów). Dane ważone są stosunkiem sygnału do tła dla poszczególnych kategorii przypadków. Ciągła czerwona linia przedstawia wynik dopasowania sygnału wraz z tłem do danych doświadczalnych, natomiast przerywana czerwona linia pokazuje wkład pochodzący od tła. (przyp. CMS)

Przedstawione w CERN wyniki pozwoliły sformułować wniosek, że na poziomie ufności 95% wykluczone jest istnienie bozonu Higgsa w zakresach energii: 110–122,5 GeV oraz 127–600 GeV. W pozostałym zakresie istnienie tej cząstki nie może być wykluczone ze względu na istnienie sygnału powyżej poziomu tła.

Eksperymentalne limity energii na produkcję cząstki Higgsa w zakresie energii 110-600GeV. Linia ciągła odpowiada możliwości wyprodukowania Higgsa dla danej energii. Jeśli opada poniżej 1, to produkcja Higgsa dla danej energii jest niemożliwa na poziomie ufności 95%. Linia przerywana odpowiada symulacjom wykonanym dla przypadku braku istnienia cząstki Higgsa. Jedynie dla energii z zakresu 123-130 GeV produkcja Higgsa nie jest zabroniona na poziomie ufności 95%.

Oba eksperymenty stwierdziły istnienie bozonu (przy rozpadzie na dwa fotony spin musi być zachowany), który może być kandydatem na cząstkę Higgsa. Eksperyment ATLAS określił masę tej cząstki na 126,5 GeV na poziomie ufności 5 sigm. W eksperymencie CMS podano masę 125,3 +/- 0,6 GeV na poziomie ufności 4,9 sigmy. Poziom ufności 5 sigm oznacza, że szansa na to, że dane ułożyły się w sposób przypadkowy dając złudzenie wykrycia cząstki wynosi jeden do trzech milionów!

Porównując te wyniki należy brać pod uwagę, że pochodzą one z dwóch zupełnie różnych eksperymentów, zbudowanych w odmienny sposób, a sposób analizy danych był indywidualną procedurą każdego z eksperymentów.

Zaprezentowane wyniki są najprawdopodobniej największym odkryciem fizyki cząstek elementarnych ostatnich 30 lat (1983 rok – odkrycie bozonów W i Z w CERN). Wśród fizyków panuje ogromna ostrożność, ale wszystko wskazuje na to, udało się odnaleźć brakujący kawałek układanki – cząstkę Higgsa. Jest to dobra wiadomość dla zwolenników Modelu Standardowego, którzy teraz mogą już ze spokojem czekać na kolejne informacje dotyczące własności tej cząstki. Oba eksperymenty obiecują przedstawić takie wyniki jeszcze w tym roku.

Autor

Redakcja AstroNETu
Redakcja AstroNETu

Komentarze

  1. remi    

    Masa bozonu Higgsa — Jeśli pole Higgsa jest odpowiedzialne za nadawanie masy innych cząstek, to skąd się bierze masa cząstki Higgsa? Jakieś samosprzężenie? Ma ktoś jakieś informacje, źródła?

  2. (c)Rasz    

    proton-proton? — Do autora artykułu: widzę tu więcej wiadomości, niż w innych doniesieniach, to bardzo ciekawe! Ale też jest (chyba) kilka błędów. Cytuję:
    LHC jest synchrotronem zaprojektowanym do zderzeń proton-proton” – hola! Z tego co wiem, zderzeniom ulegają protony z antyprotonami! Dla zderzeń proton-proton nie dałoby się utrzymać dwóch przeciwstawnie biegnących wiązek. Ponadto sumaryczna energia zderzeń z antyprotonami jest wyższa o energię anihilacji.
    Dalej:
    W eksperymentach szukano więc produktów rozpadu, a konkretnie par fotonów oraz czwórek złożonych z mionów i elektronów (dwóch par elektronów lub dwóch par mionów, lub pary elektronów i pary mionów).” – w innych doniesieniach można też przeczytać, iż higgson, w jednym z możliwych kanałów rozpadu – rozpadać się może jedynie na fotony. A to oznacza, że nie posiada ładunku elektrycznego – wszak ten w procesach rozpadu musi być zachowywany. Wobec tego w przypadku rozpadu na elektrony / miony, sumaryczny ładunek również musi być równy zero. Czyli powstać muszą odpowiednie cząstki, oraz antycząstki!

    1. mpatecki    

      Od autora — Oczywiście, że w LHC zderzane są protony z protonami. Biegną one w przeciwnych kierunkach w zupełnie osobnych rurach akceleracyjnych. Spotykają się jedynie w miejscach zderzeń – detektorach.

      Uzysk z anihilacji jest niewielki w porównaniu z energią, jaką osiągają cząstki w LHC. Masa spoczynkowa (anty)protonu to niecałe 1GeV. Zatem uzysk z anihilacji to mniej niż promil.

      Postulowanych i proponowanych kanałów rozpadu bozonu Higgsa jest znacznie więcej niż wspomniane w powyższym artykule. Rzecz w tym, że jedne kanały rozpadu są względnie łatwe do identyfikacji, a inne mieszają się silnie z tłem i trudno je odróżnić.

      Rozpad na czwórkę leptonów, o którym mowa w artykule, jest tak naprawdę nieco bardziej skomplikowany, bo w międzyczasie powstaje jeszcze para bozonów Z, które to dopiero rozpadają się na leptony – stąd rozkład masy niezmienniczej czwórki leptonów.

      Powstanie w wyniku rozpadu cząstek i antycząstek nie jest niczym nadzywczajnym. Antymateria produkowana jest w różnych akceleratorach na porządku dziennym.

      Pozdrawiam

      1. (c)Rasz    

        Antymateria…
        Cytuję:
        > Powstanie w wyniku rozpadu cząstek i antycząstek nie jest niczym
        > nadzwyczajnym. Antymateria produkowana jest w różnych akceleratorach
        > na porządku dziennym.

        To właśnie miałem na myśli – nigdzie przecież nie twierdziłem, że jest w tym “coś dziwnego”! – a wręcz przeciwnie…
        Tak czy siak – poprawka chyba jest konieczna.

        Co do zderzeń proton-proton, to najwyraźniej “nie jestem na czasie”!

  3. at    

    odnaleźli to co najpierw wsadzili — Zaaplikowali te 200 GeV, więc tyle potem rejestrowali – statystycznie, znaczy z prawdą o rozmyciu 5 sigma.

    Małe dzieci bawią się zwykle takimi większymi zapałkami, no a te duże – z Genewy mają okazję pobawić się malutkimi, hehe!

    1. mpatecki    

      Blind research — Higgs szukany był metodą blind research – mimo przesłanek co do masy Higgsa nie ograniczali się w poszukiwaniach do konkretnego zakresu, ale równorzędnie traktowali szerokie spektrum energii. A przynajmniej tak powiedzieli.

      1. at    

        marna fantastykahttp://en.wikipedia.org/wiki/Introduction_to_the_Higgs_field

        Pole Higgsa nie może uzasadniać ekspansji, ponieważ ta ekspansja nie istnieje.

        To jakaś dziecinna hipoteza uzasadniająca przesunięcie ku czerwieni odległych galaktyk, oraz temperaturę tła kosmicznego.

        Jedno i drugie dawno wyjaśniono, wychodząc z prostych praw termodynamiki.
        Eddington już w 1920r oszacował efektywną temperaturę Galaktyki na 3.2 K.

        Poza tym proponowana ekspansja jest nonsensem geometrycznym – w płaskiej przestrzeni ciała nie mogą oddalać się w taki sposób.

        Takie coś byłoby możliwe na hipersferze, ale wówczas to promieniowanie tła ujawniłoby wyraźne fale – byłoby periodyczne.

        1. remi    

          marna fantastyka… — …to twoje posty at.

          Nie tego co opisujesz dotyczy mechanizm Higgsa.

        2. at    

          Wiadomość usunięta — Wiadomość naruszała zasady AstroFORUM i została usunięta przez Redakcję.

  4. Hmm    

    Pole Higgsa to mechanizm do zadawania nowych pytań w standardowym modelu? — Pomijając sporną inflację kosmicznego podwórka.

    Istnieje coś takiego jak kreacja łańcuchowa fermionów z próżni?
    (Analogicznie do reakcji łańcuchowej w bombach atomowych, tylko że chodzi o wydobycie i zmaterializowanie cząstek wirtualnych)
    Pewnie cząstki Higgsa odgrywałyby w tym rolę pośredniczącą, ale czy mogłyby być “zapalnikiem” tego procesu?

  5. abak    

    oddziaływanie pola Higgsa — Znaleziono cząstkę, która może być kandydatką na cząstkę Higgsa
    A co z polem Higgsa, a co z mechanizmem Higgsa?
    Mówi się, że im silniejsze oddziaływanie pola Higgsa, tym większa masa cząstki zanurzonej w nim. A zatem powinno to być pole niejednorodne i powinno być zorientowane której cząstce należy się większa masa, a której mniejsza. Oczywiście trywializuję, ale zaiste jest to szalenie pokomplikowana sytuacja, a jeszcze do tego niewyjaśniony mechanizm Higgsa

  6. Chajzar    

    To jeszcze bie powód do euforii — Niby masa odpowiada przewidywanej. To, jak na razie nie dowodzi słuszności hipotezy o isnieniu pola Higgsa, o słuszności idei mającej wyjaśniać zróżnicowanie mas cząstek. Ta hipoteza w gruncie rzeczy wcale nie wyjaśnia, a jedynie wiąże fakty zróżnicowania mas cząstek z ich oddziaływaniem z jakimś hipotetycznym polem. To raczej metafizyka.
    Wyjaśnienie zróżnicowania mas dać może przyjęcie istnienia bytu absolutnie elementarnego i konsekwantne stosowanie tego dosyć rozsądnego założenia przy badaniu struktury cząstek. Wtedy też pytanie o przyczynę zróżnicowania mas cząstek okaże się stawianiem sprawy na głowie [“Jest tak, widocznie…”]. Będzie pytaniem bezzasadnym.

Komentarze są zablokowane.