O.S.E.L. - Je, nebo není higgs potvrzen?
 Je, nebo není higgs potvrzen?
V úterý, 13. prosince 2011, v hlavním přednáškovém sále laboratoře CERN společně prezentovaly dva experimenty ATLAS a CMS přehled svých dosavadních výsledků hledání Higgsova bosonu.


Zvětšit obrázek
Případ zachycení čtyř mionů v experimentu ATLAS, kandidát na „zlatý kanál“ rozpadu Higgsova bosonu na dva Z bosony, který se každý rozpadne na dva miony. (Zdroj prezentace Fabioli Gianottiové).

Hlavní přednášková místnost v laboratoři CERN byla doslova našlapaná a plná byla i vedlejší posluchárna. Přednáška Fabioly Gianottiové z experimentu ATLAS i Guida Tonneliho z experimentu CMS byly on line rovněž přenášeny do celého světa. Podle přednášejících byl letošní rok velmi úspěšný, neboť se podařilo zaznamenat zhruba pětkrát větší množství srážek, než se očekávalo. Přehled výsledků, které se zatím v experimentech na LHC získaly, byl podrobně popsán v článku Jak se v roce 2011 dařilo urychlovačům LHC a Tevatron. Presentace se týkaly dvou největších experimentů LHC, které se zabývají hledáním Higgsova bosonu. Nejdříve si připomeňme, jak se částice, jakou je higgs, loví.

Zvětšit obrázek
Plně obsazena i druhá posluchárna v laboratoři CERN, kam se přednáška přenášela. Seminář končí a ředitel laboratoře CERN gratuluje přednášejícím z experimentů ATLAS a CMS (zdroj fotografie účastníků Českého učitelského týdne v CERNu).


Jak se higgs hledá?

Pokud se Higgsův boson vytvoří, existuje jen velmi krátce a rozpadá se na jiné částice. Někdy jsou tyto sekundární částice stabilní, například při rozpadu na dva gama fotony. Velice často však vzniklé částice také existují jen velmi krátce. Například jestliže se jedná o dva Z0 bosony nebo kombinaci W+ a W- bosonů. Zatímco W bosony se většinou rozpadají komplikovaněji identifikovatelným způsobem, u Z0 bosonů existují rozpady na dvojici nabitých leptonů (buď elektron a pozitron nebo mion a antimion). Případ, kdy zachytíme dvě dvojice leptonů, které pocházejí z rozpadu Z0 bosonů, jejichž původ by mohl být v rozpadu higgse, se označuje jako zlatý kanál. Důvodem je, že se dá velice dobře identifikovat a je malá pravděpodobnost vzniku náhodného souběhu produkce stejné kombinace dvou leptonů a dvou antileptonů. Prostě máme velmi nízké pozadí.


Identifikace higgse nebo krátce žijících sekundárních částic je umožněna speciální teorií relativity. Pokud příslušné sekundární částice zachytíme a změříme jejich energie a hybnosti, tak můžeme s jejich pomocí spočítat klidovou hmotnost původní částice, rozpadem které vznikly. Takže například v případě, že máme dvojici mion a antimion u nichž určíme energii a hybnost a spočtená klidová hmotnost odpovídá hmotnosti Z0 (zhruba devadesátkrát větší než hmotnost protonu), získáme důkaz, že pochází z rozpadu této částice. Pokud je vypočtená hmotnost jiná, tak je jasné, že mion a antimion vznikly v jiných procesech a tyto případy vytváří nežádoucí pozadí.

Zvětšit obrázek
Náročnost experimentu ukazuje i extrémní případ, kdy došlo díky vysoké intenzitě srážek ke dvaceti srážkám „v jednom (pro detektorový systém nerozlišitelném) okamžiku“. Analýza takových případů je velmi náročná. Žlutými čarami je označen pár mionu a antimionu, který vznikl v rozpadu bosonu Z. (Zdroj prezentace Fabioli Gianottiové).

 

Standardní model, který je současnou teorií popisující strukturu hmoty, nedokáže předpovědět hmotnost higgse. Když ji však zvolíme, pak standardní model dokáže předpovědět pravděpodobnost vzniku higgse s takovou hmotností i pravděpodobnosti s jakými se rozpadá na jednotlivé částice. Tedy s jakou pravděpodobností se rozpadne na dva gama fotony, nebo na dva Z bosony, u kterých také víme, na jaké částice a s jakou pravděpodobností se rozpadají.

 

Takže zachycené dva fotony gama s velmi vysokou energií mohou, ale i nemusí pocházet s rozpadu higgse. Abychom to zjistili, musíme pomocí jejich energií a hybností spočítat klidovou hmotnost. Pro různé hmotnosti dostaneme různé počty případů. V případě, že se nepozorují žádné rozpady částic, mění se počet případů s hodnotou hmotnosti pomalu. Pokud došlo i k rozpadu nějaké částice, tak budeme pozorovat pík v místě její hmotnosti. Protože fotony gama mohou vznikat i v řadě dalších procesů, je v tomto případě pozadí velké a exponenciálně klesá. Pík vytvořený rozpadem higgse vytvoří v oblasti jeho hmotnosti přebytek případů narušující hladký pokles pozadí.

Zvětšit obrázek
Pravděpodobnost produkce a rozpadu Higgsova bosonu na různé částice. Písmeno sigma označuje v tomto případě účinný průřez (pravděpodobnost) zrodu higgse a BR větvící poměr (tedy pravděpodobnost rozpadu na dané částice). Gama jsou fotony, l jsou leptony, ný jsou neutrina, q jsou kvarky a b jsou b kvarky. (Zdroj prezentace Fabioli Gianottiové).

 

Co pozorují jednotlivé experimenty?

Je třeba zdůraznit, že za oběma experimenty je obrovské množství vykonané práce. Není obvyklé, aby výsledky analýz u tak náročných experimentů byly k dispozici tak brzo. I když se zatím jedná o výsledky předběžné. Intenzivní práce byla věnována hlavně kalibraci detektorů a přesnému pochopení všech jejich vlastností. Na tom je závislá přesnost určení energie a hybnosti zachycených částic a tím i určení výsledné hmotnosti částice, z jejíhož rozpadu vznikly. Na semináři byla věnována pozornost právě rozboru možných zdrojů nepřesností v procesu analýzy.


Oba experimenty důkladně prozkoumaly řadu produkcí a rozpadů známých částic popisovaných standardním modelem. Ukázaly, že předpovědi této teorie odpovídají získaným datům a fyzikové velmi dobře chápou fungování experimentálních zařízení. To je nutné k tomu, aby si byli jisti, že náznaky odchylek jsou známkou buďto existence higgse, nebo nové fyziky, a že nejsou jen projevem chyby, či nepřesnosti.

Zvětšit obrázek
Pozorované rozdělení případů dvojic fotonů gama v závislosti na vypočítané hmotnosti. (Zdroj prezentace Fabioli Gianottiové).

 

Důkladnou analýzou všech rozpadů se podařilo ještě více, než bylo ukázáno v předchozím článku, omezit oblast hmotností, kde by se higgs mohl vyskytovat. Společným úsilím experimentů ATLAS a CMS jde nyní pouze o oblast mezi 116 GeV/c2 až 127 GeV/c2. A právě v této oblasti vidí oba experimenty náznaky přebytku případů v některých rozpadech, které by mohly naznačovat, že se jedná o rozpady Higgsova bosonu

 

U experimentu ATLAS je nejzřetelnější náznak existence higgse právě v rozpadu na dva vysokoenergetické fotony gama. V rozmezí hmotností mezi 100 až 160 GeV/c2 bylo zaznamenáno 22 489 takových případů. Nepravidelnost, která se v průběhu pozadí objevuje u hmotnosti zhruba 125 GeV/c2, je taková, že pravděpodobnost existence částice je na úrovni téměř tři sigma. Fabiola Gianottiová to zhodnotila tak, že vyloučení tohoto přebytku a „napravení“ tvaru pozadí v případě, že by nešlo o higgse, nýbrž o statistickou fluktuaci, by si vyžádalo velkou novou statistiku. Naopak, pokud jde o reálný projev existence higgse, nemusí se statistika pro jeho prokázání zvyšovat zase tak moc. Jisté náznaky přebytků případů se objevují i u některých dalších rozpadů. I když třeba rozpad na dva Z bosony a dále na čtyři nabité leptony - tedy do zlatého kanálu - byl pozorován pro hmotnost menší než 180   GeV/c2 pouze párkrát.

Zvětšit obrázek
Velice efektivní využívání LHC a stálé zlepšování jeho parametrů ukazuje i graf postupného růstu integrální luminozity (zeleně v pozadí je luminozita dodaná LHC a žlutá v popředí ta využitá experimentem ATLAS). Pojem luminozity vysvětlen v předchozím článku o LHC. (Zdroj prezentace Fabioli Gianottiové).

 

U experimentu CMS se v případech dvojic fotonů gama a z nich spočtených hmotností ukazuje v oblasti 125 GeV/c2 také jistý přebytek případů, ale jeho průběh je velmi nepravidelný. Pravděpodobnost, že jde opravdu o higgse, je zde nižší. Pokud jde o náhodnou fluktuaci, tak pro návrat k pravidelnému tvaru pozadí stačí doplnit celkem malý počet nových nabraných případů. Experiment CMS však dále pozoruje náznaky přebytků případů oproti pozadí v řadě dalších typů rozpadu higgse. I když jsou zatím velmi slabé, v souběhu jejich váha roste.


Když se vezmou různé typy higgsova rozpadu a výsledky obou experimentů dohromady, tak spolu velice dobře souhlasí a vzájemně se podporují. Taková „integrovaná“ analýza vede k pravděpodobnosti existence higgse oceněné hodnotou okolo 3,5 sigma. Důležitým faktem také je, že pozorovaná pravděpodobnost vzniku higgse s takovou hmotností velmi dobře odpovídá standardnímu modelu.

 

Zvětšit obrázek
Kandidát na rozpad higgse do zlatého kanálu zaznamenaný experimentem CMS. (Zdroj prezentace Fabioli Gianottiové).

Závěr

Data získaná v předešlém a tomto roce umožnila provést intenzivní analýzu hledající známku existence Higgsova bosonu. Experimentům ATLAS a CMS umožnila zúžit oblast možné hmotnosti této částice na minimální rozpětí pouhých 11 GeV/c2. Navíc se v této oblasti u hmotnosti 125 GeV/c2 pozorují náznaky možné existence této částice. Tyto indície jsou však zatím nedostatečné, aby bylo možné existenci higgse definitivně potvrdit. Je však jasné, že podrobnější analýza již získaných dat, případně těch, které poskytnou experimenty v příštím roce už otázku higgse rozřeší definitivně. Lze předpokládat, že v této budoucí analýze budou mít výraznější váhu vzácné případy s velmi nízkým pozadím, jako je třeba zmíněný zlatý kanál rozpadu higgse, u nichž i menší nárůst statistiky může věrohodnost existence higgse zvýšit výrazně. V případě, kdy je sice pravděpodobnost rozpadu higgse takovým způsobem relativně vysoká, ale zároveň se pozoruje velmi velké pozadí, už menší zvýšení statistiky k věrohodnosti příliš nepřispěje. To je situace rozpadu higgse na dva fotony. V každém případě se v příštím roce rozluštění této tajenky dozvíme. Osobně se zvláště těším na zpřesnění měření asymetrie mezi hmotou a antihmotou v rozpadech D0 mezonů experimentem LHCb. Jak bylo podrobně popsáno v předchozím článku, je to zatím největší vykročení do fyziky za standardním modelem a k vysvětlení přebytku hmoty nad antihmotou v našem vesmíru.

 

 

 


Autor: Vladimír Wagner
Datum:14.12.2011 00:48