La șase ani de la descoperirea sa, bosonul Higgs a fost în sfârșit observat dezintegrându-se sau descompunându-se în alte particule fundamentale denumite cuarci bottom.

Descoperirea a fost realizată independent atât de colaborarea ATLAS, cât și de colaborarea CMS. Ambele colectează și analizează date din coliziunile de particule produse de Marele Accelerator de Hadroni (Large Hadron Collider, sau LHC). Ambele și-au anunțat rezultatele în data de 28 august 2018, la CERN, în acord cu teoria actuală a fizicii particulelor (Modelul Standard), care spune că peste tot în Univers, chiar și în spațiul vid din Cosmos, mai există totuși ceva: un câmp cuantic care, prin intermediului particulei Higgs (bosonul Higgs), dă masă particulelor elementare. Acest rezultat confirmă că același mecanism dă masă și cuarcilor bottom.

Modelul Standard al fizicii particulelor prezice că în aproape 60% din timp, bosonul Higgs se dezintegrează într-o pereche de cuarci bottom. Cuarcul bottom face parte dintr-o serie de șase tipuri de cuarci. Este al doilea cel mai greu, după cuarcul top. Verificarea experimentală a acestei predicții a fost considerată crucială. Rezultatul experimental putea confirma și mai mult teoria Modelului Standard, care prezice că un câmp Higgs ce se află peste tot în Univers conferă masă cuarcilor și altor particule elementare, sau putea dărâma din temelii Modelul Standard, revelând existența unor fenomene fizice noi (new physics), care ar echivala cu o revoluție în fizica particulelor.

Observarea dezintegrării de boson Higgs în doi cuarci bottom nu e nici pe departe ceva ușor. Dovadă că au trecut șase ani de la descoperirea bosonului Higgs până la această observare experimentală. De unde vine dificultatea? Există multe moduri în care cuarcii bottom sunt produși în coliziunile proton-proton de la LHC. De aceea este greu de separat „semnalul” format din bosoni Higgs dezintegrându-se în cuarci bottom, de „zgomotul de fond” format din cuarci bottom care nu provin din bosonul Higgs. În schimb, când bosonul Higgs a fost observat acum șase ani, a fost observat dezintegrându-se în particule în care se dezintegrează de fapt mult mai rar, de exemplu în doi fotoni, acest semnal rar fiind mult mai ușor de identificat într-un zgomot de fond mult mai mic.

Pentru a extrage semnalul, colaborările ATLAS și CMS au combinat fiecare datele colectate în prima și a doua perioadă de colectare de data de la LHC. Acestea sunt denumite Run-1 (la o energie de masă de 7 TeV în 2011 și apoi 8 TeV în 2012) și Run-2 (la o energie de masă de 13 TeV, între anii 2015 și 2017). Apoi au folosit metode complexe de analiză pentru a analiza aceste mari cantități de date.

Drept rezultat, atât ATLAS cât și CMS au observat producerea bosonului Higgs urmată de dezintegrarea în doi cuarci bottom cu o importanță statistică de mai bine de cinci devieri standard (significance of 5 sigma). Mai mult, ambele echipe au măsurat o rată a dezintegrării care este în acord cu Modelul Standard, în limita preciziei experimentale de acum.

Potrivit directorului experimentului ATLAS, Karl Jacobs, „această observare este o reușită foarte importantă în explorarea bosonului Higgs. Arată că atât ATLAS și CMS au obținut o înțelegere profundă a datelor, precum și un control al zgomotului de fond care întrece orice așteptare. Cu acest rezultat, ATLAS a observat că bosonul Higgs interacționează cu toate particulele din generația cea mai masivă (a treia), atât cuarci cât și leptoni (adică leptonul tau, fratele mai mare al electronului). Dar ATLAS a observat totodată și bosonul Higgs produs în toate mecanismele majore în care poate fi produs (patru la număr, ultimul observat fiind producerea bosonului Higgs împreună cu un boson W sau Z).”

La rândul său, directorul experimentului CMS, Joel Butler, și-a expus următorul punct de vedere: „De la momentul când un singur experiment a observat acum un an bosonul Higgs dezintegrându-se într-o pereche de leptoni tau, CMS, împreună cu ATLAS, a observat interacţia bosonului Higgs cu cei mai grei fermioni: leptonul tau, cuarcul top și acum cuarcul bottom. Ce ne-a permis să obținem acest rezultat mai devreme decât ne așteptam au fost performanța deosebită a acceleratorului de la CERN, LHC, și folosirea tehnicilor de inteligență artificială pentru învățare automată.” (machine learning).

Pe măsură ce se vor analiza și mai multe date (precum cele colectate chiar acum, în 2018), cele două experimente vor îmbunătăți precizia acestor măsurători, dar și a altora, și vor căuta să descopere sau să observe dezintegrările prezise pentru bosonul Higgs și în perechi de fermioni mai puțin masivi, adică în muoni, care sunt alți frați mai mari ai electronilor, dar mai ușori decât leptonii tau. Ambele experimente vor fi mereu atente la posibilele deviații subtile de la teoria actuală pe care datele le-ar releva, ce ar sugera prezența unor fenomene noi, dincolo de Modelul Standard.

Încheiem cu cuvintele directorului CERN pentru cercetare și computing, Eckhard Elsen: „Experimentele continuă să studieze bosonul Higgs din ce în ce mai îndeaproape.  Bosonul Higgs devine o unealtă cu care se caută fenomene noi în fizică. Aceste rezultate frumoase sunt totuși rezultate timpurii în planurile pe termen lung ale CERN-ului pentru acceleratorul LHC. LHC va fi actualizat pentru a îmbunătății considerabil cantitatea de date colectate (statistica). Metodele de analiză au obținut precizia necesară pentru a explora detaliat toate cazurile posibile de interacții între particule. Sperăm ca aceste măsurători de precizie să descopere fenomene fizice noi din deviații mici, subtile, față de Modelul Standard.”

Comunicatul de presă CERN

Comunicatul de presă ATLAS

Comunicatul de presă CMS

Articol trimis spre publicare de ATLAS

Articol trimis spre publicare de CMS

Video pedagogic al profesorului Steve Sekula (ATLAS), care ilustrează importanța descoperirii interacției bosonului Higgs cu cuarcul bottom.

LĂSAȚI UN MESAJ

Introduceti comentariul
Introdu numele

thirty nine + = forty one