Fizycy-teoretycy stwierdzają, że bozon Higgsa nie wydaje się zawierać żadnych oznak nowej fizyki

Bozon Higgsa został odkryty w detektorach Wielkiego Zderzacza Hadronów około dwanaście lat temu. Okazało się, że jest to cząstka niezwykle trudna do wytworzenia i obserwacji, a mimo upływu czasu jej właściwości wciąż nie są znane z zadowalającą precyzją. Teraz wiemy więcej o jego pochodzeniu, dzięki opublikowanemu niedawno osiągnięciu międzynarodowej grupy fizyków teoretyków przy udziale Instytutu Fizyki Jądrowej PAN.

Szukaj jest opublikowany W magazynie Listy przeglądowe materiałów.

Świat naukowy jest zgodny, że największym odkryciem dokonanym przy użyciu Wielkiego Zderzacza Hadronów jest słynna cząstka Higgsa. Fizycy od dwunastu lat starają się jak najdokładniej określić właściwości tej niezwykle ważnej cząstki elementarnej. Zadanie jest niezwykle trudne ze względu na wyzwania eksperymentalne i liczne przeszkody obliczeniowe.

Na szczęście znaczny postęp nastąpił w badaniach teoretycznych, dzięki grupie fizyków z Instytutu Fizyki Jądrowej PAN (IFJ PAN) w Krakowie, Uniwersytetu RWTH w Aachen (RWTH) w Aachen oraz Max Planck Institute for Physic (MPI) w Garching niedaleko Monachium.

Model Standardowy to złożona struktura teoretyczna zbudowana w latach 70. XX wieku w celu opisania obecnie znanych elementarnych cząstek materii (kwarków, ale także elektronów, mionów, taonów i związanej z nimi trójcy neutrin), sił elektromagnetycznych (fotonów) i sił jądrowych ( gluony w przypadku oddziaływań silnych oraz bozony W i Z w przypadku oddziaływań słabych).

Odkrycie bozonu Higgsa, dzięki Wielkiemu Zderzaczowi Hadronów, było wisienką na torcie w stworzeniu Modelu Standardowego, cząstki odgrywającej kluczową rolę w mechanizmie odpowiedzialnym za nadawanie mas innym cząstkom elementarnym. Odkrycie bozonu Higgsa ogłoszono w połowie 2012 roku. Od tego czasu naukowcy starają się zebrać jak najwięcej informacji na temat tej niezwykle ważnej cząstki.

„Dla fizyka jednym z najważniejszych parametrów związanych z dowolną cząstką elementarną lub jądrową jest przekrój poprzeczny danego zderzenia, ponieważ daje nam on informację o tym, jak często możemy się spodziewać, że cząstka będzie pojawiać się w zderzeniach Skupiliśmy się na teoretycznym określeniu przekroju poprzecznego bozonu Higgsa w zderzeniach gluonowo-gluonowych, odpowiedzialnych za produkcję około 90% Higgsa, którego ślady zarejestrowano w detektorach akceleratora LHC” – wyjaśnia dr. René Poncelet (IFJ PAN).

„Istotą naszej pracy była chęć uwzględnienia przy wyznaczaniu przekroju energetycznego dla produkcji bozonów Higgsa pewnych poprawek, które zwykle są pomijane ze względu na ich pozornie niewielki udział” – dodaje profesor Michał Kakoun (z Instytutu Renu -Westphalia University), współautor artykułu. „Bo ignorowanie ich znacznie upraszcza obliczenia. Po raz pierwszy udało nam się pokonać trudności matematyczne i zidentyfikować te poprawki”.

O znaczeniu poprawek wyższego rzędu w zrozumieniu właściwości bozonów Higgsa może świadczyć fakt, że obliczone w artykule poprawki wtórne, które wydają się niewielkie, stanowią około jednej piątej wymaganego przekroju energetycznego. Można to porównać do poprawek trzeciego rzędu wynoszących 3% (ale zmniejsza niepewność obliczeniową tylko do 1%).

Jedną z nowości tej pracy było uwzględnienie wpływu mas kwarków dolnych, co dało niewielkie, ale zauważalne przesunięcie wynoszące około 1%. Warto tutaj zaznaczyć, że Wielki Zderzacz Hadronów zderza się z protonami, czyli cząsteczkami składającymi się z dwóch kwarków górnych i jednego dolnego. Tymczasowa obecność kwarków o większych masach wewnątrz protonów, takich jak kwark piękności, wynika z kwantowego charakteru silnych oddziaływań, które wiążą kwarki w protonie.

„Energetyczne wartości przekroju poprzecznego produkcji bozonu Higgsa odkryte przez naszą grupę i zmierzone podczas poprzednich zderzeń wiązek w LHC są praktycznie takie same, biorąc oczywiście pod uwagę obecne niedokładności obliczeń i pomiarów. Zatem wydaje się, że nie ma ich wcale oznaki nowej fizyki w odpowiedzialnych za to mechanizmach.” „O powstawaniu bozonów Higgsa, które badamy – przynajmniej na razie” – podsumowuje pracę zespołu dr Poncelet.

Powszechne przekonanie wśród naukowców o konieczności nowej fizyki wynika z faktu, że na wiele pytań o fundamentalnym znaczeniu nie da się odpowiedzieć za pomocą Modelu Standardowego. Dlaczego cząstki elementarne mają taką masę? Po co zakładać rodziny? Z czego składa się ciemna materia, której skutki można wyraźnie zobaczyć we wszechświecie? Jaka jest przyczyna dominacji materii nad antymaterią we wszechświecie? Model Standardowy również wymaga rozszerzenia, ponieważ w ogóle nie uwzględnia grawitacji, która jest częstą interakcją.

Warto zauważyć, że niedawne osiągnięcia fizyków teoretyków z Międzynarodowego Instytutu Fizyki Cząstek Cząstek w Paryżu, Uniwersytetu Nadrenii-Westfalii i Instytutu Fizyki Maxa Plancka nie wykluczają definitywnie obecności nowej fizyki w zjawiskach, które towarzyszył narodzinom bozonu Higgsa. Być może wiele się zmieni, gdy zaczniemy analizować dane z czwartego cyklu badawczego, który stopniowo rozpoczynał się w Wielkim Zderzaczu Hadronów.

Rosnąca liczba obserwacji nowych zderzeń cząstek może pozwolić na zawężenie niepewności pomiarów do tego stopnia, że ​​mierzony zakres dopuszczalnych przekrojów poprzecznych produkcji Higgsa nie będzie już odpowiadał zakresowi określonemu przez teorię. Fizycy przekonają się, czy tak się stanie, czy nie, za kilka lat.

W tej chwili Model Standardowy może wydawać się bezpieczniejszy niż kiedykolwiek – i fakt ten powoli zamienia się w najbardziej zaskakujące odkrycie, jakie kiedykolwiek dokonano przy użyciu LHC.