14/3/12

Σε ποιο σημείο βρίσκονται οι έρευνες για το σωματίδιο Higgs

Προσομοίωση σε υπολογιστή των ιχνών που αφήνουν τα σωματίδια που παράγονται από τις συγκρούσεις στον LHC 
Οι φορείς της ασθενούς δύναμης – τα μποζόνια W και Ζ – έχουν περίπου 100 φορές μεγαλύτερη μάζα από το πρωτόνιο, ενώ ο φορέας της ηλεκτρομαγνητικής δύναμης – το φωτόνιο – έχει μηδενική μάζα ηρεμίας.

Βάσει των αρχών συμμετρίας θα περίμενε κανείς τα W, Ζ και το φωτόνιο (που όλα μαζί αποκαλούνται μποζόνια βαθμίδας) να είναι όλα άμαζα. Προκειμένου να δημιουργηθεί το απαιτούμενο σπάσιμο της συμμετρίας, πρέπει κανείς να «εφεύρει» νέα σωματίδια και αλληλεπιδράσεις, τα οποία θα δώσουν μια τελική εξήγηση της προέλευσης της μάζας των στοιχειωδών σωματιδίων.

Ο απλούστερος τρόπος για να γίνει αυτό είναι να ενσωματωθεί στη θεωρία του καθιερωμένου προτύπου των στοιχειωδών σωματιδίων το μποζόνιο Higgs. Οι αλληλεπιδράσεις του μποζονίου Higgs με τα κουάρκς, τα λεπτόνια και τα μποζόνια βαθμίδας του καθιερωμένου προτύπου προβλέπονται με ακρίβεια από τη θεωρία, αλλά η μάζα του Higgs απότελεί μια ελεύθερη παράμετρο η οποία μπορεί να προσδιοριστεί μόνο πειραματικά (vsharma.ucsd.edu/lhc/reviews/Higgs-carena-haber.pdf).

Μια από τις βασικότερες αποστολές του Μεγάλου επιταχυντή Αδρονίων (LHC) είναι η ανακάλυψη του μποζονίου Higgs, όπως προβλέπεται από το καθιερωμένο πρότυπο.

Τρεις εργασίες που εμφανίζονται στο περιοδικό Physical Review Letters , δυο από την συνεργασία ATLAS


και μια από τη συνεργασία CMS [3. prl.aps.org/abstract/PRL/v108/i114],

αναφέρουν τα πρόσφατα αποτελέσματα της αναζήτησης του μποζονίου Higgs στα προϊόντα των συγκρούσεων των δεσμών πρωτονίων στον LHC. Τα αποτελέσματα αυτών των ερευνών, που ανακοινώθηκαν τον Δεκέμβριο του 2011, δείχνουν ότι το μποζόνιο Higgs, αν υπάρχει, θα βρίσκεται σε ένα στενό εύρος μαζών γύρω από τα 126 GeV (1 GeV = 109eV).

Από τα πειράματα στο CERN με τον LEP Collider [www.sciencedirect.com/science/article ],

που έκλεισε το 2000, είναι γνωστό ότι η μάζα του μποζονίου Higgs του καθιερωμένου προτύπου δεν μπορεί να είναι μικρότερη από 114GeV, ενώ τα δεδομένα που προέκυψαν από τον επιταχυντή Tevatron στο Fermilab [http://arxiv.org/abs/1107.5518 ], ο οποίος έκλεισε το 2011, αποκλείουν την περίπτωση μποζονίου Higgs με μάζα μεταξύ 156 έως 177GeV.
Τα δεδομένα από τους επιταχυντές LEP και Tevatron – παρότι δεν παρήγαγαν το μποζόνιο Higgs – μπορούν να θέσουν πρόσθετους περιορισμούς για τις επιτρεπόμενες τιμές της μάζας Higgs, αφού συγκριθούν με τις θεωρητικές προβλέψεις. Με βάση τη στατιστική ανάλυση αυτών των δεδομένων στο πλαίσιο του καθιερωμένου μοντέλου η μάζα Higgs δεν μπορεί να είναι μεγαλύτερη από 169 GeV[arxiv.org/abs/1107.0975 ]

Το καθιερωμένο πρότυπο προβλέπει την πιθανότητα («λόγο διακλάδωσης» - Branching Ratio) ώστε ένα μποζόνιο Higgs να διασπαστεί σε έναν συγκεκριμένο συνδυασμό σωματιδίων στην τελική κατάσταση. Για παράδειγμα, η πιθανότητα να διασπαστεί το μποζόνιο Higgs σε δύο φωτόνια (γγ - μοβ γραμμή) είναι πολύ μικρότερη από την πιθανότητα να διασπαστεί σε ένα bottom (χαμηλό) κουάρκ και ένα αντι-bottom κουάρκ (bb - μαύρη γραμμή). Όμως, το υπόβαθρο όταν αναζητούμε την τελική κατάσταση των δυο φωτονίων είναι πολύ μικρότερο από σε σχέση με την τελική κατάσταση των κουάρκς, και γι αυτό αποτελεί καλύτερη περίπτωση για την αναζήτηση του μποζονίου Higgs. Στο σχήμα φαίνονται και «λόγοι διακλάδωσης» των άλλων τελικών καταστάσεων που διερευνώνται στα πειράματα αναζήτησης του μποζονίου Higgs, στον LHC. 
Συνδυάζοντας τα όρια από τις απευθείας αναζητήσεις του Higgs με τους παραπάνω έμμεσους περιορισμούς, προκύπτει ότι το καθιερωμένο πρότυπο των στοιχειωδών σωματιδίων είναι βιώσιμο αν και μόνο αν το μποζόνιο Higgs (του καθιερωμένου προτύπου) έχει μάζα μεταξύ 114 και 156 GeV
Aν το μποζόνιο Higgs παραχθεί σε μια σύγκρουση υψηλής ενέργειας, τότε σύμφωνα με τη θεωρία θα είναι εξαιρετικά ασταθές και θα διασπαστεί αμέσως σε ελαφρύτερα στοιχειώδη σωματίδια. Το καθιερωμένο πρότυπο προβλέπει τις σχετικές πιθανότητες διάσπασης του μποζονίου Higgs σε συγκεκριμένα σωματίδια (βλέπε σχήμα).
Το 2011 στον Mεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων (LHC ) συγκρούστηκαν δυο δέσμες πρωτονίων 7 TeV (1 TeV = 1012eV). Kατά μέσο όρο πραγματοποιήθηκαν περισσότερες από 100 εκατομμύρια συγκρούσεις ανά δευτερόλεπτο – αλλά οι περισσότερες απ’ αυτές ήταν «συμβατικές» παράγοντας μόνο τα συνηθισμένα στοιχειώδη σωματίδια.
Αν το καθιερωμένο πρότυπο είναι σωστό, τότε θα υπήρξαν κάποιες σπάνιες περιπτώσεις που παρήγαγαν το μποζόνιο Higgs. Aν υποθέσουμε ότι η μάζα του Higgs βρίσκεται στο αναμενόμενο εύρος τότε περίπου 75000 μποζόνια Higgs παράχθηκαν τo 2011 στους ανιχνευτές του LHC, ΑΤLAS και CMS.
Όπως φαίνεται στο σχήμα για μάζες Higgs μικρότερες από 135 GeV, τα περισσότερα μποζόνια Higgs διασπώνται σε ένα bottom κουάρκ και το αντίστοιχο αντι-κουάρκ. Ωστόσο, επειδή παράγονται πάρα πολλά κουάρκ bottom σε κάθε δευτερόλεπτο στον LHC, δημιουργείται ένα τεράστιο υπόβαθρο με τα εν λόγω κουάρκ κάνοντας αδύνατο τον εντοπισμό αυτών που δημιουργήθηκαν από την διάσπαση του μποζονίου Ηiggs.
Aντ’ αυτών είναι προτιμότερη η αναζήτηση των δυο φωτονίων που παράγονται κατά την σπανιότερη διάσπαση του μποζονίου Higgs (η μωβ καμπύλη γγ στο σχήμα), με μια πιθανότητα 1 προς 500. Από το σύνολο των μποζονίων Higgs που (πιθανόν) περιέχονται στα δεδομένα του 2011 του LHC, αυτά που διασπώνται σε δυο φωτόνια είναι τα λιγότερα, όμως ότι το υπόβαθρο κατά την αναζήτηση αυτών των γεγονότων είναι στατιστικά διαχειρίσιμο.
Τέτοια γεγονότα, διάσπασης του μποζονίου Ηiggs (του καθιερωμένου προτύπου) σε δυο φωτόνια, ανίχνευσε και ανακοίνωσε η συνεργασία ATLAS.
Αν τα δυο φωτόνια προέρχονται από την διάσπαση του μποζονίου Higgs, τότε προσδιορίζοντας την αναλλοίωτη μάζα τους, υπολογίζεται η μάζα του μποζονίου Higgs στα 126 GeV.
Μια άλλη σπάνια, αλλά χαρακτηριστική διάσπαση του Higgs είναι αυτή που παράγει ένα μποζόνιο και ένα ζεύγος λεπτονίων - ηλεκτρονίων ή μιονίων (βλέπε τη γαλάζια καμπύλη του σχήματος). Στη συνέχεια το μποζόνιο μπορεί να διασπαστεί επίσης σε ένα ζεύγος λεπτονίων, οπότε το τελικό αποτέλεσμα της διάσπασης του Higgs θα είναι ένα γεγονός με τέσσερα λεπτόνια (H→ZZ→4l). Το υπόβαθρο στην περίπτωση αυτή είναι επίσης διαχειρίσιμο.
Κατά την αναζήτηση αυτών των τεσσάρων λεπτονίων η ομάδα CMS απέκλεισε ένα μεγάλο εύρος μαζών για το μποζόνιο Higgs, αλλά διαπίστωσε επίσης την παραγωγή τεσσάρων λεπτονίων που οδηγούν στις εξής πιθανές μάζες για το μποζόνιο Higgs: 119GeV, 126GeV, και 320GeV.
Όμως καμία από τις τρεις αυτές παρατηρήσεις δεν έχουν την απαιτούμενη στατιστική ακρίβεια.
Που βρισκόμαστε αυτή τη στιγμή; Είδαμε πως οι συνεργασίες ATLAS και CMS έχουν μειώσει σημαντικά το επιτρεπόμενο εύρος μάζας για το μποζόνιο Higgs του καθιερωμένου προτύπου. Τα αποτελέσματα αυτά, μαζί με τις αναζητήσεις των ATLAS και CMS για μποζόνια Higgs που διασπώνται και σε διαφορετικές τελικές καταστάσεις (prl.aps.org , sciencedirect.com)
καθώς επίσης και τους έμμεσους περιορισμούς σχετικά με την μάζα Higgs από προηγούμενα πειράματα,
οδηγούν στο συμπέρασμα ότι το μποζόνιο Higgs του καθιερωμένου προτύπου(αν υπάρχει) πρέπει να έχει μάζα μεταξύ 115,5 GeV έως 127 GeV (τα δεδομένα με την καλύτερη στατιστική ακρίβεια δείχνουν μάζα 126 GeV).
Ωστόσο τα παραπάνω δεν αποτελούν (ακόμα) ανακάλυψη του μποζονίου Ηiggs. Τα δεδομένα που θα προκύψουν μέσα στο 2012 θα είναι τρεις φορές περισσότερα από τα δεδομένα του 2011, αφού η ενέργεια της δέσμης του LHC θα φτάσει στα 8 TeV.
Αν όλα πάνε καλά, το πλήθος των δεδομένων που θα προκύψει θα είναι αρκετό για να δώσει οριστική απάντηση όσον αφορά την ανακάλυψη του μποζονίου Χιγκς;
Για να κυριολεκτήσουμε, η απάντηση είναι όχι. Αν τα δεδομένα συμφωνούν με την αναμενόμενη τιμή, τότε το μόνο που μπορεί να πει κανείς είναι ότι αυτά ταιριάζουν με το μποζόνιο Higgs του καθιερωμένου προτύπου, αλλά θα απαιτηθούν και συμπληρωματικά στοιχεία για να επιβεβαιώσουν με κάθε λεπτομέρεια ότι οι ιδιότητες του σωματιδίου αυτού συμπίπτουν με τα αναμενόμενα θεωρητικά χαρακτηριστικά που αποδίδει το καθιερωμένο πρότυπο στο μποζόνιο Higgs.
Αν τα δεδομένα τελικά αποκλίνουν από την αναμενόμενη τιμή τότε θα μπορούσε να αποκλειστεί η ύπαρξη του μποζονίου Higgs (του καθιερωμένου προτύπου) σε ολόκληρο το επιτρεπόμενο εύρος μάζας και στην περίπτωση αυτή το απλό μοντέλο του μηχανισμού σπασίματος συμμετρίας, που χρησιμοποιείται στο καθιερωμένο πρότυπο, πρέπει να αντικατασταθεί με πιο περίπλοκους μηχανισμούς.
Όποιο μονοπάτι κι αν έχει επιλέξει η φύση, είναι σίγουρο ότι το 2012 θα είναι χρονιά ορόσημο για τη φυσική των στοιχειωδών σωματιδίων.
ΠΗΓΗ: physics.aps.org

Δεν υπάρχουν σχόλια:

Δημοσίευση σχολίου

Related Posts Plugin for WordPress, Blogger...