Co přinesly tři roky provozu urychlovače LHC  
Začátkem tohoto roku se zastavil urychlovač LHC a začalo jeho vylepšení. Během prvních tří let provozu se podařilo získat obrovské množství velmi zajímavých dat. Zatím všechna excelentně potvrzují platnost Standardního modelu částic a interakcí. Podařilo se najít novou částici, která je s největší pravděpodobností dlouho hledaným Higgsovým bosonem. Ve standardním modelu tak už žádná částice nechybí.

 


Že jsou stále přesněji určené vlastnosti nově objevené částice na LHC stále blíže klasické představě Higgsova bosonu, se na Oslovi psalo nedávno.  Následující přehled je detailnější rozbor testování Standardního modelu částic a interakcí pomocí dat získaných experimenty pracujícími na svazku urychlovače LHC. Pokud by se někdo v průběhu článku ztratil v názvosloví elementárních částic a chtěl by si zopakovat podrobnosti nejen o částicích standardního modelu, může nahlédnout sem.


 

  Zjednodušené shrnutí standardního model. 

 

Problémem při hledání velmi krátce žijící částic, jako je třeba Higgsův boson, je, že informace o nich se nedají získat přímo. Detektory zachytí pouze sekundární částice, které vzniknou při jejich rozpadu. Na druhé straně nám zachycení těchto sekundárních částic z rozpadu umožňuje identifikovat původní částici a určit její vlastnosti. Pokud určíme celkový náboj sekundárních částic, zjistíme náboj původní částice. Určení energií a hybností jednotlivých sekundárních částic pak umožňuje pomocí vztahů speciální teorie relativity spočítat klidovou energii a tím i hmotnost původní částice. Pokud tedy spočítáme pomocí sekundárních částic pomocí příslušného vztahu klidovou hmotnost pro velký počet případů, dostaneme pro přesně danou hodnotu pík pro danou hmotnost.  Pochopitelně, že částice, které vznikají v rozpadu hledané částice, mohou vznikat i v jiných procesech a nemusí spolu souviset. Dostaneme tak náhodnou hodnotu hmotnosti a tyto případy pak vytvářejí pozadí, na kterém pík v místě hmotnosti hledané částice sedí. Sekundární částice umožňují získat pomocí příslušných zákonů zachování i informace o spinu a paritě původní částice.

 


   Pozorování stavů χb(1P), χb(2P) a χb(3P) při jejich přeměně na stavy Υb(1S) a Υb(2S) vyzářením fotonů gama (zdroj experiment ATLAS, CERN). 

 

Doplnění tabulky hadronů s druhým nejtěžším kvarkem b

Higgs není jedinou novou částicí, kterou experimenty využívající urychlovač LHC objevily. Podařilo se prokázat i nové hadrony. To jsou částice složené z kvarků a interagující silnou interakcí. Dělí se na dvě skupiny. První jsou baryony, které se skládají ze tří kvarků.  Antibaryony pak ze tří antikvarků. Druhou skupinu tvoří mezony, které se skládají z jednoho kvarku a jednoho antikvarku. U antimezonu se pak původní kvark zamění za odpovídající antikvark  a původní antikvark za odpovídající kvark. Urychlovač LHC umožňuje srážky s nejvyšší dostupnou energií, takže dovoluje produkovat ty nejtěžší částice. Tedy částice, které obsahují ten nejtěžší kvark, který se stíhá do hadronů vázat. Jde o druhý nejtěžší kvark b. Nejtěžší kvark t se strašně rychle přemění (rozpadá) na jiné kvarky a částice, nejčastěji právě na kvark b. Za tak krátkou dobu života nemůže stihnout vytvořit vázaný systém s jinými kvarky.


Kvark b se vázat s jinými kvarky stíhá a vytváří řadu mezonů a baryonů. Jejich vlastnosti lze předpovědět na základě kvarkového modelu hadronů, který je součástí standardního modelu. Detailní studium vlastnosti nově objevených hadronů je tak důležitým testem standardního modelu. Hmotnost hadronů, které obsahují pouze lehké kvarky, je dominantně dána interakcí a polem, které uvězňuje kvarky v hadronu. Takže, i když kvarky, které tvoří neutron nebo proton, mají hmotnosti pouze okolo 5 MeV/c2, celková hmotnost nukleonů (ať protonu či neutronu) je téměř 940 MeV/c2.  Hmotnost samotných kvarků tak tvoří pouze pár procent celkové hmotnosti hadronu. V případě hadronů, ve kterých jsou b kvarky, pak může být až více než 70 % hmotnosti hadronu tvořeno hmotností samotných kvarků. Ty se pak stávají zajímavou možností testování kvarkového modelu hadronů a tím i standardního modelu.

 

   Jeden ze zaznamenaných případů rozpadu baryonu Ξ*b0 (zdroj experiment CMS –CERN).

Nový mezon χb(3P)  - excitovaný stav botonia

Prvním novým hadronem objeveným pomocí urychlovače LHC byl mezon χb(3P) složený z kvarku b a antikvarku anti-b. Takový mezon se označuje také jako botonium. Různé excitované stavy botonia se označují jako zmíněné mezony chí-b (χb) nebo upsilon-b (Υb) Stejně jako elektrony v atomu nebo nukleony v atomovém jádře mohou být kvarky v hadronu ve stavu s různým orbitálním momentem a tedy i v různém excitovaném stavu. Máme tak stavy S,P,D a další. Nalezený stav χb(3P) doplnil již známé stavy χb(1P) a χb(2P), které mají stejné složení, ale kvarky v jiném stavu. Všechny tyto stavy se deexcitují pomocí vyzáření fotonu gama s vysokou energií na stavy botonia Υb(1S) a Υb(2S) s nižším orbitálním momentem a tedy i energií a hmotností.  Klidová hmotnost excitovaného stavu botonia χb(3P) je 10539 MeV/c2, tedy okolo jedenácti hmotností protonů. Hmotnost kvarku b je 4200 MeV/c2. V tomto případě je hmotnost mezonu tvořena z 80 % hmotností dvojice kvarku a antikvarku. Tento objev se podařil experimentu ATLAS již v roce 2011.

 

   Schéma rozpadu Ξ*b0 (zdroj experiment CMS, CERN).

 

Nový baryon Ξ*b0 pozorovaný experimentem CMS

Na základě dat získaných v minulém roce pak experiment CMS objevil nový baryon Ξ*b0 , který patří do multipletu baryonů se spinem a paritou J=3/2+. Jedná se o excitovaný stav mezonu Ξb0 , který patří do multipletu baryonů se spinem J=1/2+. O jeho objevu, který se podařil v roce 2011 experimentu CDF, se na Oslovi psalo  před více než rokem. V obou případech se jedná o částici složenou z kvarků u, s a b. V prvním případě mají všechny tři kvarky stejnou orientaci projekce spinu (spin kvarku je 1/2) a spin výsledného baryonu je tak 3/2. V druhém případě je orientace projekce spinu jednoho kvarku opačná oproti ostatním dvěma a celkový spin baryonu tak je 1/2. 


Problémem s identifikací rozpadů těchto baryonů je, že se těžké kvarky na ty nejlehčí přeměňují jen postupně přes ty se střední hmotností. Příslušný baryon pak produkuje kaskádu rozpadů, která je dost dlouhá a složitá. Identifikace probíhá pomocí zachycení všech v konečném důsledku vzniklých částic. Pokud je identifikujeme, určíme jejich energie a hybnosti, můžeme zjistit, jaká původní částice se na ně rozpadla. Hlavně tím, že pomocí energií hybností produktů jejich rozpadu určíme klidovou hmotnost původní částice.  V konečném důsledku určíme klidovou hmotnost původního hledaného baryonu a můžeme jej identifikovat. V našem případě je první rozpad v kaskádě rozpad baryonu Ξ*b0 na baryon  Ξb- a mezon π+. Baryon Ξb- se  rozpadá na baryon Ξ- a mezon J/ψ, které už neobsahují b kvark, pouze c kvarky. Doba jeho života je taková, že světla během ní urazí pouze 0,47 mm. Mezon J/ψ, který se skládá z kvarku c a antikvarku anti-c se rozpadá na pár mionu a antimionu. Baryon Ξ- pak na hyperon Λ, který už neobsahuje kvark c ale pouze kvark s. Jako hyperony se označují právě baryony s podivným s kvarkem. Druhou částicí, která v tomto rozpadu vzniká, je záporný pí mezon. Za dobu života Ξ- světlo uletí pouze 49,1 mm. Hyperon Λ se pak rozpadá na proton a záporný mezon pí. Za dobu života hyperonu lambda urazí světlo už 78,9 mm. Pochopitelně většina částic obsažených v kaskádě se může rozpadat i jinými typy rozpadů. Ty však neumožňují tak snadnou jejich identifikaci nebo nejsou dostatečně časté.

 

  Pozorování nového baryonu Ξ*b0 (zdroj experiment CMS, CERN). 

 

Existence zmíněných nově pozorovaných mezonu a baryonu byla předpokládaná a doplňuje prázdná místa v existujících známých multipletech hadronů. Hledají se však i jiné částice složené z kvarků, než jsou baryony nebo mezony. Jsou to například hypotetické tetrakvarky, složené ze dvou kvarků a dvou antikvarků nebo pentakvarky složené ze čtyř kvarků a jednoho antikvarku. Možné náznaky existence tetrakvarku pozoroval experiment v rozpadech B+ mezonů na částice J/ψ, φ a K+. Pozorovaný náznak píku je v oblastech hmotností, které odpovídají přebytku dříve pozorovanému s pomocí experimentu CDF na již uzavřeném urychlovači Tevatron. Ovšem takových náznaků píků, které byly považovány za tetrakvarky nebo pentakvarky bylo už v minulosti hodně. A zatím byly vždy později po získání větší statistiky vyvráceny. Takže i v tomto případě je na místě jistá skepse. Podrobnější popis multikvarkových systémů a historie jejich hledání je zde.


Experimenty na LHC by mohly vysvětlit podstatu i dalšího rezonančního stavu, který byl pozorován v rozpadu na J/ψ π+π-. Je označován jako X(3872) a byl pozorován už experimentem BELLE v japonské laboratoři KEK, experimentem BABAR v americké laboratoři SLAC a experimenty CDF a D0, které pracovaly na již zmíněném americkém urychlovači Tevatron. Nyní byl pozorován také experimentem CMS na LHC. Mohlo by se jednat opět o tetrakvark nebo o „molekulu“ složenou z mezonů D0 and anti-D0*. V každém případě by LHC mohl v oblasti multikvarkových systémů udělat jasno. Je třeba připomenout, že potvrzení mulikvarkových systémů by nešlo za standardní model, vedlo by jen k upřesnění našich znalostí o jeho vlastnostech.

 

   Možné vysvětlení pozorovaného stavu X(3872) (zdroj experiment CMS, CERN).

 

Standardní model a zatím nic jiného

Nejlépe by mohly být signály nové fyziky viditelné na velmi vzácných typech rozpadů, které jsou v rámci standardního modelu velmi silně potlačené. O jednom takovém se psalo na Oslovi  nedávno. Jedná se o rozpad mezonu Bs0 s dobou života zhruba 1,5 ps, o chlup více než biliontina sekundy, na pár mion a antimion. Tento rozpad mezonu Bs0 je opravdu extrémně vzácný. Většinou se rozpadá na mezon Ds- a další částice, jen zhruba v jednom případě z miliardy se rozpadne na pár mionu a antimionu. Takovou pravděpodobnost předpovídá standardní model a takovou pozoroval i experiment LHCb. Jedná se o jedno z nejsilnějších potvrzení standardního modelu a nejpřísnější omezení na projevy nové fyziky za ním.

 

  Zkoumání produkce páru mionu a antimionu, vyznačeny jsou příspěvky různých procesů ze standardního modelu. Je vidět, že jejich součet přesně odpovídá experimentálním datům (zdroj experiment CMS, CERN). 

 

Kromě velmi vzácných rozpadů, jejichž pravděpodobnost je ve standardním modelu velmi silně omezena, mohla by se nová fyzika projevit ve vlastnostech těch nejtěžších částice, které ve standardním modelu jsou. Tou je například nejtěžší kvark t, proto je co nejpřesnější měření jeho produkce, hmotnosti, doby života a jeho rozpadů jednou z nejdůležitějších částí ověřování standardního modelu a hledání příznaků nové fyziky. Odchylky od předpovědí standardního modelu by mohly být například známkou existence supersymetrických částic. Z velikosti odchylek příslušných parametrů od standardního modelu pak lze usuzovat na vlastnosti těchto supersymetrických částic. Například v jaké oblasti klidových hmotností je třeba je hledat. Experiment CMS zpřesnil hodnotu hmotnosti kvarku t na 173,4 GeV/c2 s nejistotou pod 1 GeV/c2. Dominující rozpad t kvarku je na boson W a druhý nejtěžší kvark b, kterého je více než 95 %. Přesná hodnota příměsi rozpadů, při kterých s bosonem W vzniká místo b kvarku nějaký lehčí kvark, je také velice citlivou veličinou k existenci nové fyziky. I v tomto případě jsou předběžné výsledky v mezích přesnosti v souhlase se standardním modelem. Stejně tak odpovídá předpovědím standardního modelu pravděpodobnost produkce kvarku t ve srážkách protonů na LHC.


Dalšími reakcemi studovanými v rámci programů ověřování platnosti standardního modelu je společná produkce dvojic bosonů zprostředkujících slabou interakci, tedy páru Z0 bosonů nebo dvojice W+ a W- bosonů. Studuje se i velký počet produkcí různých kombinací částic, které by mohly být známkou rozpadu supersymetrických nebo jiných hypotetických částic. Zatím však zkoumaná data plně odpovídají předpovědím standardního modelu a prostor pro řadu projevů nové fyziky se zmenšuje.   

 

 

  Pozorování rozpadu higgse přes dva Z0 bosony na dvě dvojice elektronu a pozitronu (zdroj CERN). 

 

Nejspíše prostě „obyčejný higgs“

Bezesporu nejdůležitějším výsledkem dosavadní činnosti urychlovače LHC je objev nové částice, která je s velmi vysokou pravděpodobností dlouho hledaným higgsem.  O příznacích existence nové částice s hmotností zhruba 126 GeV/c2 se začalo informovat koncem roku 2011. Společné vystoupení a prezentace výsledků obou experimentů bylo popsáno i na Oslovi (zde a zde ). Rok 2012 pak přinesl velký nárůst statistiky pozorovaných rozpadů Higgsova bosonu a možností ověření jeho vlastností. To umožnilo daleko přesněji určit vlastnosti nově objevené částice. Doposud se studovalo pět různých typů rozpadů. Nejsilnější evidence existence higgse je v rozpadu na dva fotony.  V tomto případě sice musíme počítat s velmi intenzivním pozadím, ale zase jde o typ rozpadu s relativně vysokou pravděpodobností. Velmi dobře pozorovatelný pík v oblasti hmotnosti zhruba 126,5 GeV/c2 našly oba experimenty, které se na hledání higgse zaměřují, tedy ATLAS i CMS.

 

  Pozorování Higgsova bosonu v rozpadu na dva fotony gama (zdroj experiment CMS, CERN). 

Dalším rozpadem, pomocí kterého byla existence higgse potvrzena, je rozpad na dva Z0 bosony. Tyto bosony se často rozpadají na pár elektron a pozitron nebo mion a antimion. Takové rozpady higgse přes dva Z0 bosony na čtveřici leptonů jsou velice dobře identifikovatelné a pozadí je v tomto případě velmi malé. Problémem však je, že pravděpodobnost je o více než řád menší a tomu odpovídá i statistika nabraných případů. Přesto je u experimentů ATLAS a CMS jasně identifikovatelný pík u hmotnosti 126,5 GeV/c2.

 

 

  Pozorování Higgsova bosonu v rozpadu na dva fotony gama (zdroj experiment ATLAS, CERN). 

 

Identifikace rozpadu higgse na dvojici W+ a W- bosonů je ztížena tím, že jejich způsoby rozpadu jsou komplikovanější. Zatím se identifikují rozpady, při kterých se jsou sekundárními částicemi v rozpadu W bosonů na jeden nabitý lepton (elektron, pozitron, mion nebo antimion) a odpovídající neutrino či antineutrino. Problémem je, že neutrina s hmotou téměř neinteragují a v tomto případě je nelze detekovat. Jejich hybnosti a energie se dopočítávají pomocí zákonů zachování hybnosti a energie s chybějící hybnosti a energie. Přesnost určení hmotnosti higgse tak není příliš vysoká a získává se velmi rozplizlý pík, který se nedá odlišit od pozadí. Jedinou možností je nasimulovat pozadí pomocí standardního modelu a zjistit přebytek nad tímto pozadím, který odpovídá příspěvku z rozpadů higgsů. Takový přebytek pozorovaných případů je opravdu pozorován a jeho velikost odpovídá předpovědím standardního modelu rozpadu higgse tímto způsobem.


Dalším typem rozpadu, který se hledal, byl rozpad higgse na pár tauonu a antitauonu. Tauony mají krátkou dobu života, takže se detekovaly až produkty jejich rozpadu. I v tomto případě se podařilo v odpovídající kombinaci sekundárních částic identifikovat přítomnost příspěvku z rozpadu higgse o hmotnosti zhruba 126 GeV/c2, i když zatím pouze na relativně nízké úrovni statistické průkaznosti.

 


  Pozorování Higgsova bosonu experimentem CMS v rozpadu přes dvou Z bosonů (zdroj experiment CMS, CERN). 

 

Pokud vezmeme všechna popsaná pozorování z experimentů ATLAS a CMS, lze mít za spolehlivě prokázané, že existuje nová částice s hmotností zhruba 126,5 GeV/c2. Pozorované rozpady umožňují zjistit, že spin a parita této částice je 0+, což jsou hodnoty předpokládané u higgse. Pravděpodobnost produkce a jednotlivých pravděpodobností rozpadů různými způsoby odpovídá v mezích získané přesnosti předpovědím standardního modelu pro higgse. Je tak vidět, že pozorování experimentu LHC dobře odpovídají předpokladům o vlastnostech klasického higgse a vylučují řadu jiných hypotetických částic. Nevylučuje ty, které mají pro pozorované rozpady vlastnosti velice blízké standardnímu higgsi. Prostor pro jiné vysvětlení se další přesnější analýzou a studiem i dalších rozpadů bude nadále zmenšovat.

 

  Poměr pozorovanou pravděpodobností produkce a daného rozpadu získanou v experimentu CMS a vypočtenou ze standardního modelu pro různé rozpady higgse (zdroj experiment CMS, CERN). 

 

Narušení C, P i sdružené CP symetrie přesně podle standardního modelu

Na intenzivní studium rozdílu mezi hmotou a antihmotou a zvláště pak na narušení kombinované CP symetrie se zaměřuje experiment LHCb. Využívá toho, že zvláště silně by se toto narušení mělo projevovat právě u těžkých mezonů, které obsahují druhý nejtěžší kvark b


C symetrie platí, jestliže se fyzikální zákonitosti nezmění, když zaměníme všechny částice za antičástice. Tedy v případě, že svět se vůbec neliší od antisvěta. Tato symetrie je však v našem vesmíru narušena a někdy i velmi silně. Například v našem vesmíru jsou všechna neutrina levotočivá a antineutrina pravotočivá. Takže, jestliže neutrino přeměníme na antineutrino, dostaneme levotočivé antineutrino, které v našem vesmíru neexistuje. Svět a antisvět tak můžeme lehce odlišit.


Musíme však vědět, co je levá strana a zda je příslušná částice levotočivá či pravotočivá. A tím se dostáváme k P symetrii (zrcadlové symetrii). Pokud se na neutrino podíváme do zrcadla, bude místo levotočivého pravotočivé. Antineutrino v zrcadle už nebude pravotočivé, ale levotočivé. Pokud tedy provedeme obě transformace, tedy změníme neutrino na antineutrino a podíváme se na ně do zrcadla, dostaneme pravotočivé antineutrino a tedy přesně to, co známe z našeho vesmíru. Druhá transformace kompenzuje narušení, ke kterým dojde při té první. A toto platí pro téměř všechny narušení C symetrie a P symetrie, která se pozorují. Kombinovaná CP symetrie se téměř vždy zachovává.

 

   Rozpad Higgsova bosonu na dva tauony a jejich následný rozpad (zdroj experiment CMS, CERN).

 

První evidence narušení této kombinované CP symetrie se podařila najít v rozpadech mezonů K0. Ty jsou složeny z kvarku anti-s a kvarku d, případně anti-K0 z kvarku s a kvarku anti-d.  Zatímco u π0 mezonu se neliší částice od antičástice, u K0 mezonu se liší podivností. Ta je u částice +1 a u antičástice -1. V případě silné interakce, u které platí zákon zachování podivnosti, se rozlišují stavy K0 a anti-K0. U slabé interakce, která stavy s různou podivností nerozlišuje a podivnost se nezachovává, pak jsou podstatné jiné stavy K0 mezonu (K0L a K0S), které mají přesně definovanou hodnotu nábojové parity CP. Naopak K0 a anti-K0 ji definovanou nemají. A právě u rozpadů stavu K0L s přesně definovanou nábojovou paritou se podařilo pozorovat narušení kombinované CP symetrie a v roce 1980 za ně dostali J. Cronin a F. Fitch Nobelovu cenu. U mezonů D0 hraje roli podivnosti nová fyzikální veličina spojená s kvarkem c, která se označuje jako půvab. U mezonů B0 pak vlastnost spojená s kvarkem b, která se označuje jako krása.


Podrobnější rozbor podstaty narušení CP symetrie a jejího popisu ve standardním modelu s využitím CKM matice je v článku o tom,  jak mimozemšťanům sdělit, že jsme z hmoty a která ruka je levá.

 

 

   Pozorování rozpadu B0 a Bs0 mezonů na K+π- a K-π+ dvojice (zdroj R. Aaij et al: arXiv:1304.6173v1)

 

Pozorování narušení CP symetrie v rozpadech B mezonů

První pozorování narušení CP symetrie u částic obsahujících druhý nejtěžší kvark b se podařilo u mezonů B0, které se skládají z jednoho anti-b kvarku a jednoho kvarku d. Antičástice k němu pak z jednoho kvarku b a kvarku anti-d. Uskutečnilo se na začátku tohoto století ve dvou laboratořích, první bylo na zařízení BABAR v americké laboratoři SLAC a druhé na zařízení BELLE v japonské laboratoři KEK. Pomocí experimentu LHCb v laboratoři CERN se podařilo pozorovat toto narušení v rozpadech B0 (anti-B0) → K+π- a B0(anti-B0) → K-π+ s daleko vyšší statistikou a přesností. Jeho velikost je 8 %, to znamená, že rozdíl mezi pravděpodobností rozpadu mezonů B0 (anti-B0) na kladný a záporný mezon K je zmíněných 8 %. Připomínám, že rozpady probíhají slabou interakcí, která nezachovává krásu. Jen v této veličině se liší částice a antičástice.


Pomocí experimentu LHCb se poprvé podařilo pozorovat narušení CP symetrie ve stejných rozpadech mezonů Bs0 (anti-Bs0), které se skládají z kvarku b a kvarku anti-s (případně z kvarku anti-b a kvarku s). Toto narušení je velmi velké, dosahuje zhruba 27 %. Jak v rozpadech B0 tak i rozpadech Bs0 je pozorované narušení CP symetrie ve velmi dobré shodě s předpovědí standardního modelu.


Narušení CP symetrie se podařilo pozorovat také u nabitých mezonů B+ a B-. V tomto případě byly srovnávány rozpady + → Kπ+π+π-, B+  → π+π+π-, B+  → K+K+K- a B+  → K+K+π- s odpovídajícími rozpady mezonu B-. V tomto případě nastává opět velmi vysoká asymetrie vyplývající z narušení CP symetrie v řádu jednotek až desítek procent podle druhu reakce. Jde tak o další velice užitečný nástroj pro testování standardního modelu a hledání příznaků nové fyziky.

 

 

  Rozpad Bs0 mezonu pozorovaný v detektoru LHCb (zdroj experiment LHCb, CERN). 

 

Pozorování narušení CP symetrie v rozpadech D mezonů

Zatímco u mezonů s kvarkem b je velmi vysoká hodnota narušení CP symetrie jak v předpovědích standardního modelu, tak i v experimentech, podobné mezony, ve kterých je místo kvarku b obsažen lehčí kvark c, mají narušení CP symetrie v předpovědích standardního modelu velmi malé. Dostatečná statistika a přesnost pro její změření se dosáhla teprve na experimentu LHCb. Už koncem roku 2011 publikoval LHCb první studium narušení CP symetrie v rozpadech mezonů D0 (anti-D0), které se skládají z kvarku c a kvarku anti-u (kvarku anti-c a kvarku u). Podrobněji popsáno zde  právě v části věnované studiu rozdílu mezi hmotou a antihmotou. V tomto případě se porovnávaly rozpady na dvojici podivných mezonů K+ a K- a nejlehčích mezonů π+ a π-. Vybíraly se pouze případy, kdy mezon D0 vznikal spolu s pí+ mezonem v rozpadu D*+ mezonu a antimezon D0 pak spolu s pí- mezonem v rozpadu D*- antimezonu. V tomto případě probíhá rozpad silnou interakcí, která cítí půvab, a tím máme jasnou identifikaci, kdy se jednalo o částici a kdy o antičástici. Pozorované narušení CP symetrie bylo velmi malé, pouze zhruba 0,8 %, a bylo určeno se značnou nejistotou. Přesto byla tato hodnota osmkrát větší než vypočtená pomocí standardního modelu. V té době to tak vypadalo, že se tímto začínají projevovat náznaky nové fyziky. Nová statistika nabraná v roce 2012 však zpřesnila naměřenou hodnotu na 0,34 %. Zároveň se zpřesnily hodnoty vypočtené ze standardního modelu. Výpočet je totiž v tomto případě velmi náročný. Nově určená teoretická hodnota je větší než původní a mezi experimentem a teorií teď v mezích přesnosti měření a výpočtu panuje shoda. I v tomto případě se tak potvrzuje standardní model a náznaky nové fyziky nejsou vidět.


Stejné narušení CP symetrie se nyní pozorovalo ve srovnání rozpadů B+ mezonů na anti-D0 mezon a K+ mezon a mezonů B- na D0 mezon a K- mezon, které zase způsobuje silná interakce a mezon a antimezon D0 jsou tak dobře definovány. V mezích nejistot se opět dosahuje shody mezi předpovědí standardního modelu a experimentální hodnotou.

 


  Rozpad mezonu B+ na mezon anti-D0 a mezon K+ (zdroj experiment LHCb – CERN). 

 

Všechna pozorování, která tak experimenty využívající urychlovač LHC provedly, potvrzují platnost standardního modelu. Experiment ukazuje, že i popis narušení CP symetrie ve standardním modelu se plně potvrzuje a neobjevují se odchylky od předpovědí, které bychom mohli připsat projevům nové fyziky. Stále zajímavější se může jevit idea, že přebytek hmoty nad antihmotou vzniklý v raném vesmíru byl způsoben narušením CP symetrie ve standardním modelu. Protože však narušení CP symetrie ve standardním modelu s růstem teploty klesá a začíná být příliš malý, musel by fázový přechod, při kterém tato asymetrie v našem vesmíru vznikla, nastat při teplotách zhruba o dva řády nižších než se běžně předpokládá. Podrobněji je tato myšlenka popsána zde.

 

    Šance Petera Higgse na Nobelovu cenu se nyní velmi zvětšily (zdroj CERN).

 

Závěr

Nová částice s hmotností 126,5 GeV/c2, která byla experimenty na urychlovači objevena, má vlastnosti, které velice dobře odpovídají vlastnostem Higgsova bosonu předpovídaným standardním modelem. Také další velký počet různých procesů, které se pomocí srážek protonů na urychlovači LHC studovaly, velice dobře odpovídá v mezích dosažené přesnosti předpovědím standardního modelu. Zatím se nepodařilo najít žádné známky nové fyziky za standardním modelem. Je však třeba připomenout, že velká část získaných dat je postavena pouze na statistice z roku 2011 a ještě je velký prostor pro zlepšení statistiky a kvality analýzy.


V současnosti se tak zdá, že se naplnily obavy, které někteří fyzici měli. Objevil se standardní Higgsův boson a perfektně se potvrdila platnost standardního modelu. A nezahlédly se náznaky nové fyziky za ním. Není tak jasné, co je třeba udělat, abychom se o nové fyzice něco dozvěděli. A také, jestli je možné postavit urychlovač a jaký, aby případné nové částice nebo jiné procesy ovlivněné hledanou novou fyzikou bylo možné studovat.

 


  Kandidát na rozpad Higgsova bosonu v experimentu CMS (zdroj experiment CMS, CERN). 

 

Jak už však bylo zdůrazněno, byla zatím zpracována jen menší část dat a lze očekávat řadu i radikálních zlepšení statistiky i analýzy. Sníží se tak statistické i systematické nejistoty zde prezentovaných výsledků a bude se studovat řada dalších ještě exotičtějších a komplikovanějších procesů a rozpadů. Stále je zde obrovský prostor pro nalezení příznaků nové fyziky a tím i impulsu pro návrhy nových urychlovačů. Jak už bylo řečeno, řada hypotéz, které měly nahrazovat standardního higgse už byla vyloučena. Postupně by mohly být vyloučeny další. Ať na základě už získaných experimentálních dat nebo později pomocí dat, která se získají po znovuspuštění urychlovače po jeho vylepšení. Je však i možné, že některé z nich nebude možné pomocí LHC zcela zavrhnout a bude třeba počkat na nový srážeč elektronů, který bude produkovat higgse s větší intenzitou a s daleko nižším pozadím a umožní tak ještě daleko detailněji proměřit jeho vlastnosti. Podobně, jako tomu bylo již v minulosti. Bosony Z a W zprostředkující slabou interakci byly objeveny pomocí proton antiprotonových srážek na urychlovači SPS v laboratoři CERN. Podrobné zkoumání jejich vlastností však proběhlo až na srážeči elektronů a pozitronů, který byl v tunelu, kde je nyní LHC.

 

  Kandidát na higgse pozorovaný v experimentu ATLAS (zdroj CERN). 


Experimenty na urychlovači LHC splnily jeden ze svých nejdůležitějších úkolů, polapily Higgsův boson. Nyní se soustředí ještě více na hledání příznaků nové fyziky. Víme, že ta musí existovat, protože standardní model nevysvětluje řadu pozorovaných skutečností. Třeba to, jaká je podstata temné hmoty, která tvoří větší část hmoty ve vesmíru než hmota složená z částic standardního modelu. V každém případě lze očekávat i v příštích letech od experimentů na LHC řadu novinek a zajímavostí.

 



 

Pozorování higgse v rozpadu na dva Z bosony experimentem ATLAS (zdroj experiment ATLAS, CERN)

Pozorování higgse v rozpadu na dva fotony experimentem ATLAS (zdroj experiment ATLAS, CERN)

x



Datum: 20.05.2013 01:59
Tisk článku

Související články:

Na Velkém hadronovém srážeči pátrají po tajemném kondenzátu barevného skla     Autor: Stanislav Mihulka (24.09.2019)
Chytili v CERNu novou přízračnou částici?     Autor: Stanislav Mihulka (02.11.2018)
Na Velkém hadronovém srážeči se proletěly první „atomy“     Autor: Stanislav Mihulka (04.08.2018)
Experiment ATLAS v CERNu poprvé pozoroval rozptyl světla světlem     Autor: Stanislav Mihulka (16.08.2017)
Jak si nedělat starosti a mít rád Velký hadronový srážeč     Autor: Stanislav Mihulka (19.01.2017)



Diskuze:




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