Další krok k ulovení higgse  
Přesnou analýzou dat získaných experimenty D0 a CD, které probíhaly na nedávno uzavřeném americkém urychlovači Tevatron, se podařilo určit s dosud nedosažitelnou přesností hmotnost bosonu slabé interakce W. To umožňuje nepřímé určení možné hmotnosti Higgsova bosonu a kruh kolem této dosud stále unikající částice standardního modelu se tím ještě více zúžil.

 

Zvětšit obrázek
Vznik a zánik virtuální dvojice t a b kvarků i virtuálního higgse v případě W bosonu (zdroj APS physics, Robert Garisto).

V nedávné době se díky výsledkům hledání přímých rozpadů Higgsova bosonu podařilo velice významně zmenšit rozsah jeho možných hmotností. Výsledky, které získaly experimenty ATLAS a CMS využívající srážky urychlovače LHC (zde) jsou v dobré shodě s výsledky analýzy dat experimentů CDF a D0 (DZero), dvou velkých mezinárodních experimentálních projektů, které dlouhodobě (CDF 25 a D0 18 let) probíhaly na urychlovači Tevatron, jehož činnost byla v minulém roce ukončena. Oba experimenty spolu s těmi předchozími, využívajícími srážeč elektronů a pozitronů LEP, vyloučily všechny hmotnosti kromě oblasti mezi 115 až 127 GeV/c2. Připomeňme, že energie odpovídající podle známého Einsteinova vztahu hmotnosti protonu je něco méně než 1 GeV. Jak evropské, tak americké experimenty pozorují přebytek případů nad pozadím standardního modelu, což může být náznakem existence higgse s hmotností zhruba 125 GeV/c2. Tato pozorování však zatím nejsou statisticky nezpochybnitelná.

Zvětšit obrázek
Ke kalibraci a kontrole práce detektoru elektronů a pozitronů byl využíván rozpad Z bosonu na pár elektron - pozitron. Hmotnost Z bosonu je totiž velice přesně určena v řadě předchozích experimentů. Na obrázku je pík vytvořený Z bosonem ve spektru hmotností získaném z rozpadů na elektron a pozitron. Jeho šířka je dána dobou jeho života a Heisenbergovým principem neurčitosti. Červeně jsou zobrazená data a modře Monte Carlo simulace. (Zdroj: PRL 108, 151804 (2012))

 

Hmotnost higgse se však dá určit i nepřímo pomocí velice přesného měření hmotnosti nabitého W bosonu, který zprostředkovává spolu s neutrálním Z bosonem slabou interakci. Jeho hmotnost přesahuje hmotnost osmdesáti protonů. Během své existence může tento boson emitovat a pohlcovat virtuálního higgse. Tato možnost je důsledkem kvantových vlastností mikrosvěta, které umožňují na jistý striktně omezený časový okamžik porušovat zákony zachování energie. Takže může vzniknout částice, pro kterou není dostatek energie. Ta však musí po svém vzniku velice rychle zaniknout. Doba její existence i pravděpodobnost jejího vzniku je dána její hmotností. V okolí částic tak mohou vznikat a zanikat virtuální částice. Tyto jevy silně souvisí s vlastnostmi vakua a podrobněji jsou popsány zde.

 

Vznikání a zanikání virtuálních higgsů související s existencí W bosonu ovlivňuje velikost jeho hmotnosti. Tak lze hmotnost higgse dedukovat i z hmotnosti W bosonu. Ten může kreovat a pohlcovat i další virtuální částice, například dvojici t a b kvarku, což má pochopitelně také vliv na jeho hmotnost. Přesnost určení hmotnosti higgse z hmotnosti W bosonu je tak závislá i na přesnosti naší znalostí hmotností kvarků. Nejméně je známa hmotnost nejtěžšího t kvarku, jež má ale i největší vliv. A právě experimenty Tevatronu hmotnost tohoto kvarku určovaly prozatím nejpřesněji.

Zvětšit obrázek
Jedna ze tří kinematických veličin, jejichž rozdělení se využilo k určení hmotnosti W bosonu. Červeně jsou zobrazená data a modře Monte Carlo simulace. (Zdroj: PRL 108, 151804 (2012))

 

Nyní stejné skupiny publikovaly zatím nejpřesnější měření hmotnosti mezonu W. Tým experimentu D0 zkoumal rozpady W bosonu na elektron (pozitron) a antineutrino (neutrino). Z dat získaných v letech 2006 až 2009 se mu podařilo velice pečlivou a náročnou analýzou získat přes 1 600 000 takových případů. Experiment CDF pak studoval nejen tyto rozpady (získal zhruba 470 000 případů), ale také rozpady na mion a odpovídající neutrino (přes 620 000 případů). Analýza takových případů je komplikovanější, protože lze zachytit a přesně změřit parametry pouze u nabitého leptonu (elektronu, pozitronu nebo mionu), neutrino detektory nezachytí. Parametry této částice se musí zjistit z kinematiky reakce (zákonů zachování hybnosti a energie). Extrémně důležité je tak velice přesné měření energie elektronů, pozitronů a mionů. Kalibrace využívaných detektorů se prováděla a kontrolovala pomocí měření hmotnosti Z bosonu. Její přesná hodnota je známa z literatury, je tak možno ji využít pro velmi přesnou kalibraci detekčního systému.

 

Experiment D0 určil hodnotu hmotnosti W bosonu na 80,367±0,013±0,022 GeV/c2, kde první nejistota je statistická a druhá systematická. U experimentu CDF fyzikové došli k hodnotě  80,387±0,012±0,015 GeV/c2. Společná analýza dat z obou experimentů pak dává hodnotu 80,375±0,011±0,020 GeV/c2. Dominantní část nejistoty je dána statistikou získaných případů rozpadů W bosonu na lepton a neutrino a v systematické chybě velkou část tvoří přesnost kalibrace detektorů daná statistikou případů rozpadů Z bosonů na pár elektron a pozitron nebo mion a antimion. U obou experimentů je ještě část do konce nezanalyzovaných dat, a tak je možné v budoucnu očekávat další zlepšení přesnosti určení hmotnosti bosonu W.

 

Zvětšit obrázek
Graf vymezující možné oblasti hmotností W bosonu, t kvarku a higgse. Na ose x je hmotnost kvarku t, na ose y hmotnost W bosonu. Oblast možných hmotnosti těchto částic leží uvnitř oranžové elipsy. V grafu jsou zelenou barvou ukázány oblasti hmotnosti higgse, které nejsou ještě vyloučeny přímým hledáním jeho rozpadu na urychlovačích LHC a Tevatron. (Zdroj: PRL 108, 151804 (2012))

Z uvedeného rozmezí hmotností W bosonů získaného v popisovaných měřeních lze obdržet omezení na hmotnost higgse. Ten podle nich musí být lehčí než 145 GeV/c2, což je ve velmi dobré shodě s výsledky přímého hledání rozpadů higgse. Oproti původnímu limitu získaného z analýzy předchozích nejlepších světových měření jde o slušné zpřesnění, původní horní hranice hmotnosti higgse určená z hmotnosti W bosonu byla 158 GeV/c2.


 I tato měření ukazují, že se smyčka okolo higgse utahuje a že fyzikové z Tevatronu i po jeho uzavření ještě pořád neřekli ani v případě této hledané částice poslední slovo. Stále mají jistý náskok v podobě velmi komplexních analýz vyžadujících co nejpřesnější kalibrace detektorů, kde se projevuje výhoda toho, že se svými detektory pracují a analyzují jejich data mnohem déle než fyzikové na experimentech využívajících urychlovač LHC. V každém případě je stále jasnější, že se situace okolo higgse vyřeší do konce tohoto roku. Podrobnější informace o popisovaných nových výsledcích lze najít v původních článcích (zde a zde).



Poznámka: Pro podrobnější studium: Combined CDF and D0 Search for Standard Model Higgs Boson Production with up to 10.0 fb−1 of Data


Zajímavá lekce angličtiny s jaderným fyzikem Donem Lincolnem z Fermilabu:






Datum: 15.04.2012 16:22
Tisk článku

Související články:

Další krok k důkazu existence Higgsova bosonu     Autor: Vladimír Wagner (04.07.2012)



Diskuze:

Trochu mimo téma

Karel Mueller,2012-04-16 20:26:23

Dobrý den pane Wagner,

rád čtu Vaše velmi zajímavé blogy a diskuze se neúčastním jen proto, že k ním vcelku nemám co podotknout :-).

Ale protože učíte na FJFI, tak bych měl dnes jen malou připomínku trochu mimo téma. Na netu jsem objevil další učebnici - hotovou bombu :-) - tentokrát ze statistické fyziky. H Gould, J Tobochnik: Statistical and Termal Physics. I když pokrývá universitní kurs ve třetím ročníku university, tak je psána tak jasnou a jednoduchou formou (včetně řady jednoduchých příkladů ke každému zaváděnému pojmu a podrobné analýzy řešení), že je lehce dostupná i začínajícím studentům techniky.

Moje připomínka platí samozřejmě všem případným zájemcům, kteří budou číst diskuzi.

Odpovědět


Díky za typ.

Vladimír Wagner,2012-04-16 21:24:31

Nevěděl jsem o ní, už jsem se koukl a určitě se mi odkaz šikne. A myslím, že i řadě dalších lidí tady.

Odpovědět

Jen drobná připomínka

Marek Taševský,2012-04-16 13:54:00

Vladimír to napsal hezky, měl bych jen pár drobných poznámek. O tom, že to tento rok na LHC bude velmi zajímavé, není nejmenších pochyb. Spousta lidí chce mít do konce roku jasno v tom, jestli tedy Higgs existuje, či nikoliv, například lidi pracující na ILC (International Linear Collider). Jestli se však tento oříšek podaří rozlousknout už tento rok, tím si nejsem tak zcela jist.

Ano, pokud Higgs v oblasti nízkých hmot (100-150 GeV)
neexistuje, o tom by už do konce roku mělo být jasno. Pokud však v této oblasti hmot existuje, bude to s jeho objevem trochu složitější.

Plány LHC pro pp srážky na tento rok jsou srážková energie 8 TeV a dodaná luminosita 15-20 fb-1. Dosavadní výsledky říkají, že signál je vidět v oblasti kolem hmot 125 GeV se signifikancí asi 2.5 sigma, zanalyzovaná data odpovídají luminositě 4.7 fb-1. Tato signifikance se však nezanedbatelně sníží, vezme-li se v úvahu tzv. look-elsewhere effekt. Pokud budeme tedy chtít vidět signál se signifikancí 5 sigma (pak můžeme ohlásit objev), nutně potřebujeme zvýšit statistiku nejméně 4x. To se možná nepodaří jednomu experimentu a pak bude potřeba přistoupit ke kombinaci dat z obou experimentů. A tohle stihnout do konce roku ... to už bude vyžadovat hodně fortele.

Pokud tedy Higgs v této oblasti nízkých hmot existuje a pokud bude objeven, pak je ještě potřeba změřit jeho vlastnosti, abychom mohli říct, zdali odpovídá tomu, jejž předpovídá Standardní model (SM), nebo jinému z jiné teorie mimo SM. Musí se proměřit jeho spin, C, P vlastnosti, rozpadová šířka, či vazbové parametry pro interakce s jinými částicemi. A to už je běh na dlouhou trať.

A pokud se přijde na to, že Higgs neexistuje? Vždyť i teoretikům je potřeba dát nějakou práci :-)

Odpovědět




Pro přispívání do diskuze musíte být přihlášeni














Tento web používá k poskytování služeb, personalizaci reklam a analýze návštěvnosti soubory cookie. Používáním tohoto webu s tím souhlasíte. Další informace