Prelomno otkriće u CERN-u: raspad Higsovog bozona

28. avgust, Ženeva, CERN Šest godina nakon što je Higsov bozon otkriven, konačno je uočeno na koji se način raspada na fundamentalne čestice koje su poznate kao bottom kvarkovi. Ovo otkriće su danas, 28. avgusta, u CERN-u predstavile kolaboracije ATLAS i CMS, dve najveće međunarodne istraživačke grupe koje koriste CERN-ov akcelerator, Veliki sudarač hadrona (LHC). Oba tima su danas predala i svoje rezultate za objavljivanje, a otkriće je u skladu sa hipotezom da sve-prožimajuće kvantno polje Higsovog bozona daje masu i pomenutom botom kvarku.

Zapravo, prema Standardnom modelu fizike elementarnih čestica, čak 60% vremena Higsov bozon se raspada upravo na par botom kvarkova. Ovi kvarkovi su drugi po masi među šest vrsta, odnosno aroma kvarkova koje – mada imaju duhovita imena (up, daun, šarm, strejndž, top, botom) – grade svu poznatu materiju. Provera pretpostavke da se Higs raspada na dva botom kvarka je od ključnog značaja za modernu fiziku jer rezultati mogu ili da sasvim uzdrmaju sadašnje teorije i ukažu na novu fiziku ili da potvrde Standardni model, koji je zasnovan na ideji da Higsovo polje „daje“ masu kvarkovima i drugim elementarnim česticama.

Međutim, uočavanje ovog standardnog kanala na koji se Higsov bozon raspada uopšte nije lako, kao što se pokazalo tokom šest godina istraživanja nakon otkrića Higsa. Razlog za takve poteškoće je tehnički – Higsovi bozoni koji će se raspasti na botom kvarkove nastaju pri snažnim sudarima ubrzanih snopova protona u akceleratoru, ali pri ovim sudarima dešava se i mnogo drugih događaja i ima mnogo drugih načina na koji mogu nastati botom kvarkovi. Zbog toga je teško, usled takvog pozadinskog „šuma“, izolovati signal ovog raspada Higsovog bozona, mada se, nasuprot tome, pokazalo da je sasvim lako detektovati mnogo ređe kanale, kao što je raspad Higsa na dva fotona.

Kako bi se izdvojio signal, kolaboracije ATLAS i CMS su ukrštale podatke iz prve i druge faze rada akceleratora LHC, što je uključivalo sudare pri energijama od 7, 8 i 13 teraelektron-volti (TeV). Nakon toga je primenjena izuzetno složena statistička analiza, da bi na kraju oba tima izmerila brzinu raspada Higsa sa velikim statističkim nivoom poverenja (većim od „5 sigma“). Dobijeni rezultati su u saglasju sa predviđanjem Standardnog modela.

„Ovo merenje je prekretnica u istraživanju Higsovog bozona“, rekao je portparol ATLAS kolaboracije, Karl Jakobs, dodajući da je ono pokazalo kako su i ATLAS i CMS dostigli nivo dubokog razumevanja svojih podataka i kontrole pozadinskih procesa. „Izvrsne perfomanse akceleratora LHC uz moderne tehnike mašinskog učenja omogućile su nam da postignemo ovaj rezultat ranije nego što smo očekivali“, rekao je Džoel Batler, portparol CMS kolaboracije, dodajući da su obe kolaboracije već uspele da vide sprezanje Higsa sa tau česticama, top kvarkom, a sada i sa kvarkom botom.

Sa novim podacima, kolaboracije će moći da poboljšaju preciznost ovih i drugih merenja i da krenu i u potragu za raspadom Higsa na čestice koje se nazivaju mioni. „Ovi divni i neočekivano rano dobijeni rezultati daju dodatnu motivaciju za naše planove da unapredimo LHC kako bismo suštinski povećali statistiku u istraživanjima“, rekao je Erhard Elsen, CERN-ov direktor za istraživanje i računarstvo.

Registrovan događaj koji potvrđuje direktnu
spregu Higs bozona sa b (bottom) kvarkom

Ovo značajno otkriće kojim se potvrđuje predviđanje interakcije Higs bozona sa b kvarkom, a koje su nedavno ostvarili fizičari dve najveća eksprimenta danas: ATLAS i CMS u Evropskoj organizaciji za nuklearna istraživanja CERN, predstavlja izuzetno dostinuće i još jedan važan korak u razumevanju ponašanja Higs bozona na osnovu predviđanja Standardnog modela, vladajuće teorije u svetu elementarnih črestica. Rezultati ova dva eksperimenta zvanično su objavljeni danas kada su i poslati na publikovanje u jedan od vodećih naučnih časopisa Physical Review

Letters. Dva tima srpskih istraživača koji čine fizičari iz Instituta za fiziku (ATLAS) i fizičari, inženjeri i specijalisti iz INN VINČA i Fizičkog fakulteta (CMS), koji aktivno učestvuju sa svojim kolegama u istraživanjima u okviru ova dva međunarodna eksperimenta, svojim dosadašnjim radom dali su takođe odgovarajući doprinos ovom otkriću.

Kao što je poznato, dva međunarodna eksperimenta na Velikom hadronskom sudaraču-LHC u CERN-u, ATLAS i CMS, objavili su nezavisno 4. jula 2012. godine istorijsko otkriće Higs bozona, tada jedine čestice koja je nedostajala u vladajućoj teoriji Standardni model. Otkriće Higs bozona, na koje se čekalo skoro pola veka pošto je prvi put u ovoj teoriji predviđeno njegovo postojanje, a gde su srpski fizičari dali direktan i značajan doprinos, izazvalo je tada izuzetnu pažnju i odjek u gotovo svim državama sveta, dok je u svim svetskim medijima to bila prva i glavna vest i događaj.

Pošto je registrovanjem Higs bozona potvrđeno da smo na pravom putu u izučavanju elementarnih čestica i interakcija koje među njima vladaju, započet je intenzivan eksperimentalni program ispitivanja svojstava Higs bozona, pre svega izučavanjem interakcija ili kako fizičari kažu, sprezanja ove čestice sa najmasivnijim česticama Standardnog modela. Kako Higs bozon, kao i veliki broj novo-otkrivenih čestica vrlo kratko živi, njegovo prisustvo se eksperimentalno potvrđuje na osnovu prisustva drugih čestica Standardnog modela iz njegovog raspada. U fizici čestica je poznato da je brzina raspada čestice povezana direktno sa kvadratom intenziteta međusobnog sprezanja. S druge strane, intenzitet sprezanja Higs bozona sa fermionima (česticama polovičnog spina) je direktno proporcionalan masi ovih čestica, zbog čega se očekuje da će najpre takvo sprezanje Higs bozona biti registrovano u interakciji sa najmasivnijim česticama Standardnog modela. Najnoviji rezultati dva eksperimenta potvrđuju još jednom ova predviđanja u čemu je i njihov najveći značaj. Posle jednako značajnog otkrića: sprezanja Higs bozona sa najmasivnijom poznatom česticom, t (top) kvarkom (težom i od Higs bozona), a koje je publikovano nedavno takođe u Physical Review Letters (PRL 120 (2018) 231801), međunarodne kolaboracije CMS i ATLAS danas objavljuju još jedno uspešno otkriće: sprezanje Higs bozona sa drugim najmasivnijim kvarkom b (bottom). Kako b kvark poseduje masu manju od Higs bozona, izučava se kanal raspada Higs bozona na dva b kvarka (tj. par kvark-antikvark). Iako je direktan raspad na par b kvarkova jedan od najčešćih i najverovatnijih kanala raspada Higs bozona, njegovo registrovanje predstavlja veliki izazov, jer se odgovarajući događaj (signal) teško izdvaja, odnosno razlikuje od velikog broja sličnih fonskih signala, zbog čega ovo dostignuće dobija na još većem značaju. Zahvaljujući izuzetnim karakteristikama detetkora (CMS i ATLAS) koji su omogućili veliku količinu kvalitetnih eksperimentalnih podataka, izvanrednim preformansama akceleratorskog kompleksa LHC, a posebno naprednim i nedavno razvijenim tehnikama (“Machine learning techniques”) i metodama analize eksperimentalnih događaja, ovaj značajan kanal raspada Higs bozona je uspešno registrovan. U ovom slučaju, kompleksna analiza je bila fokusirana na izdvajanje događaja sa tzv. pridruženom produkcijom vektorskih bozona (W,Z) čiji kanali raspada takođe sadrže b kvarkove. Osnovni cilj je redukovanje fonskih događaja iz kojih bi morali da budu izdvojeni traženi signali, a koji su u odnosu fonske događaje vrlo retki. Kako kvark ne može da egzistira samostalno, signal koji sadrži dva b kvarka se manifestuje u vidu dva hadronska pljuska koje fizičari nazivaju “mlaznjacima” (jet). Ovi mlaznjaci su uglavnom posledica prisustva kvarkova i oni se razvijenim metodama i tehnikama analize efikasno identifikuju.

Konačno, registrovanjem događaja koji potvrđuju sprezanje Higs bozona sa tri najmasivnija fermiona: b kvarkom, zatim prethodnom potvrdom sprezanja sa t kvarkom, kao i ranije registrovanim sprezanjem sa masivnim tau leptonom, prioritetni program istraživanja u fizici elementarnih čestica, tačnije u Higs sektoru, dobija novi zamah. Iako su rezultati izmerenih sprezanja Higs bozona sa najmasivnijim fermionima konzistentni i u saglasnosti sa predviđanjima Standardnog modela, treba istaći da se sada otvara prostor za nova, preciznija merenja koja će pored boljeg razumevanja osobina Higs bozona omogućiti možda doprinos nove fizike. Fizičari se nadaju da će još veća količina kvalitetnih eksperimentalnih podataka sakupljenih u CERN-u uz još bolje preformanse detektora i akceleratora LHC, omogućiti još preciznije izučavanje tako da bi bolje poznavanje osobina Higsa bozona moglo da doprinese indikaciji postojanja nove fizike, fizike izvan Standardnog modela.

dr Petar Adžić,
predsednika Komisije Republike Srbije za saradnju sa CERN-om

Izvor: Institut za fiziku Beograd