Jerzy Michał Pawlak: Rzecz o bozonie Higgsa

Wielki Zderzacz Hadronów

2012-07-13. Autor tego tekstu napisał go na naszą prośbę (znamy się z Internetu), publikujemy zaś artykuł z radością. Oto mamy nowego świetnego popularyzatora nauki, kompetentnego i wykształconego. No i doskonale piszącego…


Nieczęsto zdarza się, że odkrycie naukowe staje się dużego kalibru faktem medialnym, i to nawet jeszcze przed jego oficjalnym ogłoszeniem. Stało się tak kilka dni temu, gdy w CERN, wielkim europejskim laboratorium fizyki jądrowej, mieszczącym się pod Genewą i dysponującym największym na świecie akceleratorem cząstek, ogłoszono wyniki dotychczasowych poszukiwań cząstki Higgsa. Fala „higgsomanii” przetoczyła się przez media, wiadomość trafiła na pierwsze strony gazet i pierwsze miejsca serwisów informacyjnych. Nadmierny entuzjazm dziennikarzy owocował niestety czasami powstawaniem materiałów nie w pełni poprawnych merytorycznie i naładowanych zbędną sensacją. Dlatego, poproszony przez redaktorów tego portalu, zdecydowałem się napisać ten artykuł, by wyjaśnić co właściwie ostatnio odkryto i ogłoszono. Najpierw jednak spróbuję wyjaśnić, czego właściwie uczeni szukali i dlaczego jest to ciekawe i ważne dla zrozumienia świata.

Nieco historii

W połowie XX wieku powstała elektrodynamika kwantowa – teoria opisująca oddziaływania elektromagnetyczne w sposób zgodny zarówno ze szczególną teorią względności Einsteina, jak i z mechaniką kwantową. Stanowiła ona radykalnie nowe podejście w opisie cząstek i ich oddziaływań. Podstawowym obiektem teorii stało się pole kwantowe – byt wypełniający przestrzeń, mający w każdym jej punkcie określoną, chociaż zależną od czasu wartość. Dlatego elektrodynamikę kwantową nazwano też kwantową teorią pola. Cząstki elementarne w kwantowej teorii pola są jedynie przejawami oscylacji (kwantami) pola, a nie niezależnymi bytami. Oddziaływanie pomiędzy naładowanymi elektrycznie cząstkami elektrodynamika kwantowa objaśnia jako rezultat wymiany pomiędzy nimi kwantów pola elektromagnetycznego, nazywanych fotonami.

Wewnętrzna elegancja elektrodynamiki kwantowej, a przede wszystkim sukcesy jakie odniosła w przewidywaniu subtelnych efektów obserwowanych w oddziaływaniach elektronów i fotonów sprawiły, że fizycy zapragnęli opisać w języku kwantowej teorii pola także oddziaływania jądrowe. Pierwszy krok w tym kierunku wykonali w roku 1954 Chen Ning Yang i Robert Mills pokazując, jak można skonstruować kwantową teorię pola dla bardziej złożonych oddziaływań, wychodząc z ich wewnętrznej symetrii. Teorie Yanga-Millsa miały jednak poważną wadę: przewidywały one, że cząstki przenoszące oddziaływania, czyli pełniące taką rolę, jak foton w elektrodynamice kwantowej, muszą być pozbawione masy spoczynkowej, i poruszać się, podobnie jak fotony, zawsze z prędkością światła. Tymczasem krótkozasięgowe oddziaływania jądrowe musiały być przenoszone przez masywne cząstki. Dlatego teorie Yanga-Millsa były traktowane bardziej jako ciekawostka matematyczna niż opis rzeczywistości fizycznej. Dopiero na początku lat sześćdziesiątych ubiegłego wieku, dzięki pracom m.in. Jeffreya Goldstone’a i Yoichiro Nambu (który otrzymał ze tę pracę Nagrodę Nobla) udało się znaleźć potencjalne wyjście z impasu – przez złamanie symetrii teorii.

Peter Higgs

Ostatecznie rozwiązanie problemu zostało znalezione w roku 1964. W roku tym ukazały się, w niewielkich odstępach czasu, trzy krótkie prace na temat mechanizmu generowania mas bozonów, będących nośnikami oddziaływań w teoriach Yanga-Millsa. Autorami pierwszej z tych prac byli François Englert i Robert Brout, drugiej Peter Higgs, zaś trzeciej Gerald Guralnik, Carl Richard Hagen i Tom Kibble. Zaproponowanym rozwiązaniem bylo dodanie do teorii jeszcze jednego pola kwantowego o nietypowych własnościach, nazwanego kilka lat później polem Higgsa.

Pole Higgsa

Cóż więc takiego nietypowego jest w polu Higgsa? Zacznijmy wyjaśnianie tego pytania od stwierdzenia, że pola, jakimi zajmują się kwantowe teorie pola, niosą zawsze pewną energię. Jeżeli mamy jakiś obszar przestrzeni, w którym istnieje pole, to obszar ten zawiera dającą się obliczyć (o ile znamy pole w każdym punkcie) ilość energii.

Dla większości pól kwantowych obowiązuje zasada, że im silniejsze pole, tym więcej zawiera energii. Stanem o najniższej (zerowej) energii jest stan, w którym pola nie ma, jego wartość jest zerowa w całym badanym obszarze przestrzeni. Stan taki nazywamy próżnią: brak pola, energia jest najniższa. Wyjątkiem od tej reguły jest właśnie pole Higgsa. Ma ono swoją „ulubioną” wartość, przy której jego energia osiąga minimum. Zwiększenie pola ponad tę wartość wymaga dostarczenia energii, ale tak samo trzeba dodać energii by pole zmniejszyć poniżej niej. W szczególności stan, w którym pole znika w jakimś obszarze – nie jest już stanem o najniższej energii, lecz odpowiada lokalnemu jej maksimum. Gdyby udało nam się wytworzyć stan z zerowym polem Higgsa w jakimś obszarze (fizycy nazywają taki stan, w którym pole wprawdzie znika, ale energia nie jest minimalna, „fałszywą próżnią”), byłby on niestabilny i najlżejsza fluktuacja wystarczyłaby, by spowodować przejście do stanu stabilnego, o niższej energii. Sytuacja jest podobna, jak przy  próbie ustawienia pionowo igły na twardej powierzchni: przy bardzo starannym ustawieniu przez chwilę być może będzie stała, ale najlżejsze drżenie czy powiew przewróci ją. Pole Higgsa w taki sam sposób dąży do swojej „ulubionej” wartości odpowiadającej minimalnej energii. Rzeczywista próżnia jest więc stanem, w którym energia jest wprawdzie najniższą z możliwych, ale pole Higgsa nie znika, lecz przyjmuje pewną stałą, taką samą w każdym punkcie wartość.

Mamy więc sytuację, w której każda cząstka znajduje się cały czas w pewnym stałym polu, z którym może oddziaływać. Oddziaływanie to nie zmienia stanu jej ruchu, pod nieobecność innych pól cząstka nadal porusza się zgodnie z I zasadą dynamiki Newtona, czyli ruchem jednostajnym prostoliniowym. Zmienia się jednak jej oddziaływanie z innymi polami, cząstka reaguje na wywieraną na nią siłę inaczej, niż reagowałaby pod nieobecność pola Higgsa. Doświadczalnie  obserwujemy tę różnicę jako zmienioną masę cząstki. Zjawisko jest analogiczne do zjawisk znanych z fizyki ciała stałego, obserwowanych podczas ruchu elektronu w krysztale: elektron poruszający się w polu elektrycznym wytwarzanym przez atomy tworzące sieć krystaliczną zachowuje się, jakby miał masę inną, niż jego masa spoczynkowa w próżni. Pole Higgsa, przez swą „wszechobecność” nadaje w ten sposób masę cząstkom, które w innej sytuacji byłyby bezmasowe. Im silniej cząstka oddziałuje z polem Higgsa, tym wyższą masę jej ono nadaje.

Wprawdzie powyższy mechanizm „wynaleziony” został by nadać masę bozonom – nośnikom oddziaływań, jednak szybko zauważono, że dokładnie w taki sam sposób można nadać masę fermionom – cząstkom z których składa się materia. W tak zwanym Modelu Standardowym fizyki cząstek elementarnych, teorii opisującej oddziaływania wszystkich znanych nam cząstek (za wyjątkiem oddziaływania grawitacyjnego), przyjmuje się, że pole Higgsa jest odpowiedzialne za masy wszystkich cząstek fundamentalnych. Tylko fotony i gluony nie oddziaływają z polem Higgsa, dzięki czemu ich masa pozostaje zerowa.

Fakt, że pole Higgsa w stanie podstawowym jest wszędzie takie samo, nie zmienia się od punktu do punktu, czyni niemożliwym stwierdzenie jego obecności bezpośrednio. Jeżeli chcemy udowodnić jego istnienie, jedyną możliwością jest zaburzenie go, wzbudzenie drgań, które zamanifestują się jako nowa cząstka elementarna: bozon Higgsa.

Wysiłek, jaki fizycy od kilkudziesięciu już lat wkładają w próby zaobserwowania tej cząstki wynika z faktu, że jest to jedyna cząstka przewidywana przez Model Standardowy, której nie udało się dotychczas zaobserwować. Jednocześnie jest ona bardzo ważnym elementem tego modelu, ewentualne wykluczenie jej istnienia oznaczałoby konieczność odrzucenia dużej części tej doskonale do tej pory sprawdzającej się teorii.

Co wiemy na temat bozonu Higgsa

Aby móc skutecznie poszukiwać cząstki Higgsa musimy wiedzieć gdzie jej szukać i po czym można ją rozpoznać. Model Standardowy daje nam pewne wskazówki na temat jej właściwości.

  • Po pierwsze: wiemy że cząstka Higgsa musi być obojętna elektrycznie, nie posiada też ładunku „kolorowego” (który posiadają np. kwarki).
  • Po drugie: wewnętrzny moment pędu (spin) cząstki Higgsa musi być równy zeru. Gdyby było inaczej, oznaczałoby to, że pole Higgsa ma wyróżniony kierunek w przestrzeni. Oddziaływania cząstek z polem, a w konsekwencji ich masy, zależałyby wtedy od kierunku ich ruchu. Doświadczalnie jednak takiej zależności nie obserwujemy.
  • Po trzecie wreszcie wiadomo, że cząstka Higgsa jest nietrwała, rozpada się bardzo szybko. Najbardziej prawdopodobne są przy tym rozpady na cząstki najsilniej oddziałujące z polem Higgsa, czyli najcięższe. Mając daną masę bozonu Higgsa, Model Standardowy pozwala wyliczyć prawdopodobieństwa jego rozpadów na różne stany końcowe.

Model Standardowy nie dostarcza nam natomiast informacji bodaj najbardziej kluczowej z punktu widzenia eksperymentatora poszukującego tej cząstki, czyli jej masy. Masa cząstki Higgsa jest dowolnym parametrem i nie daje się policzyć na podstawie mas czy oddziaływań innych cząstek. Wiadomo jedynie, że nie może być zbyt wielka, matematyczna spójność teorii wymaga, by masa cząstki Higgsa nie przekraczała około 1 TeV (czyli 1000 GeV). Ta dowolność utrudnia poszukiwania i sprawiła, że „szukanie Higgsa” było obowiązkowym punktem badań przy każdym z coraz większych budowanych w ostatnich latach akceleratorów. W roku 2010, przed uruchomieniem Wielkiego Zderzacza Hadronów (LHC) w CERN wiadomo było, że masa bozonu Higgsa jest większa niż 100 GeV (w przeciwnym wypadku zaobserwowano by jego produkcję w zderzaczu LEP2). Energia wiązek LHC została dobrana tak, by można było przebadać cały pozostały zakres dopuszczalnych mas, od 100 GeV do powyżej 1 TeV. Nieznalezienie cząstki Higgsa w LHC oznaczałoby więc konieczność odrzucenia Modelu Standardowego i poszukania innego mechanizmu nadawania mas cząstkom, przede wszystkim bozonom pośredniczącym W i Z.

Aby jeszcze bardziej skomplikować poszukiwania: powyższe informacje dotyczą cząstki Higgsa przewidywanej przez Model Stadardowy. Wydaje się  jednak, że Model Standardowy nie jest kompletną teorią cząstek i oddziaływań. Fizycy teoretycy zaproponowali wiele jego rozszerzeń i niektóre z tych rozszerzeń przewidują inne własności cząstek Higgsa. Na przykład popularna hipoteza supersymetrii przewiduje, w swej minimalnej wersji, istnienie pięciu różnych cząstek Higgsa, w tym dwóch naładowanych elektrycznie. Dlatego samo znalezienie cząstki Higgsa nie kończy badań, konieczne jest jeszcze zbadanie jej własności i ustalenie, czy mamy do czynienia ze „standardową” jej wersją.

Jak szukać cząstek Higgsa

Nim omówimy ostatnio ogłoszone wyniki warto zatrzymać się nad metodami, jakimi fizycy poszukują nowych cząstek i trudnościami stojącymi przed poszukiwaczami cząstek Higgsa.

Pierwszym problemem jest jak „wpompować” w pole Higgsa dostatecznie dużo energii, aby wychynęła z niego rzeczywista, fizyczna cząstka. Robi się to zderzając ze sobą rozpędzone do olbrzymich prędkości cząstki elementarne, najczęściej elektrony lub protony. W momencie zderzenia połączona energia zderzających się cząstek jest przez krótką chwilę skupiona w bardzo małym obszarze przestrzeni, co powoduje silne zaburzenie pól kwantowych w tym miejscu. Zaburzenia te mogą się ujawnić jako nowe cząstki.

Ile energii musimy w ten sposób dostarczyć polu? Ano co najmniej tyle, by wystarczyło jej, zgodnie ze słynnym wzorem Einsteina, na wytworzenie jej masy. W wypadku cząstki Higgsa oznacza to, że musimy być w stanie dostarczyć w pojedynczym zderzeniu co najmniej (uprzedzając nieco fakty) 130 GeV – aby rozpędzić elektron lub proton do takiej energii musielibyśmy poddać go działaniu pola elektrycznego o napięciu 130 miliardów woltów. Prędkość rozpędzonego do tej energii protonu różni się zaledwie o 0,003% od prędkości światła, zaś prędkość elektronu o mniej niż 0.000000001%.

Nie wystarczy jednak tak rozpędzoną cząstką uderzyć w cokolwiek aby wyprodukować cząstkę Higgsa. Obowiązują bowiem zasady zachowania energii i pędu: jeżeli uderzymy tak rozpędzoną cząstką w cząstkę spoczywającą, wówczas zasada zachowania pędu wymaga, by większość jej energii została zużyta na ruch (pęd) produktów takiego zderzenia. Na produkcję nowych cząstek możemy zużyć tylko niewielką część energii cząstki-pocisku. By mieć szansę na produkcje bozonu Higgsa w zderzeniu protonu ze spoczywającym protonem, musielibyśmy proton-pocisk rozpędzić do energii jeszcze co najmniej 150 razy większej. Wyjaśnia to, dlaczego do poszukiwań cząstki Higgsa używa się wyłącznie zderzaczy – akceleratorów, które rozpędzają jednocześnie dwie wiązki cząstek, w przeciwnych kierunkach i doprowadzają do ich „czołowych” zderzeń, dzięki czemu cała ich energia jest dostępna na produkcję nowych cząstek.

Nawet jednak gdy mamy do dyspozycji tyle energii, może to nie wystarczyć, gdyż, w zależności od sytuacji fizycznej, nie cała ta energia będzie dostępna na wyprodukowanie bozonu Higgsa. Na przykład w zderzaczach elektron-pozyton nie jest możliwe zużycie całej energii na produkcję „samotnej” cząstki Higgsa. Musi ona się wyprodukować w towarzystwie innych cząstek, w najprostszym przypadku jednego bozonu pośredniczącego Z0. Musimy więc dostarczyć dostatecznie dużo energii, by w zderzeniu dało się wyprodukować masę tych dwóch cząstek. Wyjaśnia to dlaczego cząstka Higgsa nie została znaleziona w zderzaczu LEP2, chociaż jej masa wynosi poniżej 130 GeV, a LEP2 był w stanie dostarczyć wiązki o łącznej energii 200 GeV. Suma mas cząstek: Higgsa i Z0 wynosi około 220 GeV, była więc powyżej możliwości tego urządzenia. 

Innego rodzaju problem pojawia się w zderzaczach protonów: protony są cząstkami złożonymi, składają się z kwarków i gluonów, łącznie zwanych partonami. Przy tak wysokich energiach zderzenie pomiędzy protonami jest faktycznie zderzeniem pomiędzy ich składnikami – partonami. Jeden z partonów z jednego protonu zderza się z jednym partonem z drugiego, zaś reszta partonów z obydwu protonów kontynuuje swój ruch. Jako, że zderzające się partony niosą tylko część energii swych macierzystych protonów, rzeczywista energia zderzenia, dostępna na produkcję nowych cząstek, jest zwykle niższa, niż suma energii wiązek. Dlatego zderzacz protonowy musi dostarczać wiązki o energiach znacznie wyższych, niż masa cząstki Higgsa, by mieć szansę na wyprodukowanie znaczącej liczby tych cząstek.

Poza energią, ważna jest też intensywność wiązek dostarczanych przez akcelerator. Nawet jeżeli dostępna energia zderzenia jest wystarczająca, jest bardzo wiele pól kwantowych gotowych ją przechwycić, czyli wiele innych cząstek, które mogą być w zderzeniu wyprodukowane. Prawdopodobieństwo wyprodukowania akurat cząstki Higgsa jest stosunkowo niewielkie, ze względu na jej dużą masę i słabe oddziaływanie z lekkimi cząstkami z jakich składa się proton. Aby mieć do dyspozycji znaczącą liczbę przypadków produkcji, niezbędną do udowodnienia istnienia cząstki, konieczne jest zarejestrowanie znacznej liczby indywidualnych zderzeń. Wyjaśnia to, dlaczego eksperymenty przy Tevatronie były w stanie, po 10 latach zbierania danych, przedstawić tylko słabe dowody istnienia bozonu Higgsa, pomimo że energia wiązek Tevatronu była w zupełności wystarczająca do jego produkcji.

Wysoka intensywność wiązek jest jednak jednocześnie sama w sobie problemem dla eksperymentatorów: w LHC pakiety protonów z obydwu wiązek spotykać się będą docelowo 40 milionów razy na sekundę, a przy każdym z tych spotkań następuje po kilka zderzeń proton-proton. Utrudnia to analizę zarejestrowanych zderzeń, fizycy muszą bowiem poprawnie przypisać zarejestrowane cząstki do indywidualnych aktów zderzenia. 

Kolejnym problemem, z którym muszą zmierzyć się łowcy Higgsa, jest jego nietrwałość. Cząstka ta rozpada się niemal w momencie powstania – odległość, jaką może przebyć pomiędzy produkcją a rozpadem, jest mniejsza, niż średnica jądra atomowego. Nie ma więc możliwości bezpośredniej jej obserwacji. Wszystko, czym dysponują badacze, to zarejestrowane przez detektory produkty jej rozpadu, wymieszane z innymi cząstkami powstałymi w tym samym zderzeniu. Trzeba więc w jakiś sposób odtworzyć informacje o rozpadającej się cząstce analizując te produkty. Utrudnieniem jest tu fakt, że te same cząstki, które mogą być produktami rozpadu cząstki Higgsa, mogą też produkować się w innych procesach zachodzących w czasie zderzenia. Nie wiemy więc, w który konkretnie zderzeniach wyprodukowała się i rozpadła poszukiwana cząstka, a w których mamy tylko zestaw produktów zderzenia „udających” produkty jej rozpadu. Tylko staranna analiza statystyczna pozwala stwierdzić, czy wśród zaobserwowanych zdarzeń są przypadki produkcji i rozpadu nowej cząstki, i ile w przybliżeniu ich jest.

To co w końcu z ostatnimi odkryciami?

Uzbrojeni w wiedzę o naturze cząstki Higgsa i sposobach jej poszukiwania możemy lepiej zrozumieć treść doniesień, które narobiły tyle szumu w ubiegłym tygodniu. Zacznijmy jednak od tego, że nie były to pierwsze doniesienia na temat obserwacji bozonu Higgsa. Niemal równo rok temu, pod koniec lipca 2011, po pierwszych kilku miesiącach zbierania danych przy LHC, dwie duże grupy eksperymentalne pracujące z detektorami ATLAS i CMS ogłosiły, że mogą praktycznie wykluczyć istnienie bozonu Higgsa w szerokim zakresie mas – z wyjątkiem obszaru poniżej około 150 GeV, którego wykluczyć nie można z powodu „nadmiaru zdarzeń” zaobserwowanego przy tych masach. Dalsze wyniki pojawiły się w grudniu tegoż roku, po zakończeniu ubiegłorocznego okresu zbierania danych. Oba eksperymenty zgłosiły „sygnał” przy masie około 125 GeV.

Tu należy się dodatkowe wyjaśnienie: procesy produkcji i rozpadu cząstek elementarnych są procesami przypadkowymi, rządzonymi przez prawa statystyki. W zderzeniu może wyprodukować się bozon Higgsa, ale może się też nie wyprodukować, mimo że wszystkie parametry zderzenia są takie same. Teoria pozwala nam wyliczyć, dla danych energii zderzających się cząstek, prawdopodobieństwo produkcji bozonu, ale z zasady nie może przewidzieć w których konkretnych zderzeniach się to wydarzy. Co więcej, nawet jeżeli bozon Higgsa został wyprodukowany, jego detekcją też rządzi przypadek: może się on rozpaść na różne sposoby, produkty niektórych z tych sposobów rozpadu mogą być trudne, bądź niemożliwe do wykrycia w detektorze. Nawet jeżeli rozpad nastąpił na cząstki dające się łatwo wykryć i zmierzyć, to niektóre z nich mogą uciec detekcji, na przykład biegnąć wzdłuż rury akceleratora, w której nie ma detektorów. Całe eksperymentalne poszukiwanie nowych cząstek jest rodzajem wielkiej gry w kości, w której fizycy potrafią przewidzieć prawdopodobieństwa pewnych wyników, ale nie wynik konkretnego rzutu. Tylko rzucając kośćmi odpowiednio wiele razy możemy przekonać się, czy obliczone prawdopodobieństwa zgadzają się z obserwowanymi.

Prawa statystyki mówią nam, że aby mieć pewność zgodności przewidywanych prawdopodobieństw z obserwowanymi, musielibyśmy wykonać nieskończenie wiele prób. Jest to oczywiście niemożliwe, o zgodności musimy wnioskować na podstawie skończonej próbki zdarzeń, a w takim wypadku musimy zawsze liczyć się ze „statystycznym rozrzutem” czyli na przykład możliwością, że przypadkiem coś wyprodukowało się akurat częściej niż teoretycznie powinno i „udaje” sygnał nowej cząstki. Aby wyrazić ilościowo szansę, że wynik jest statystyczną fluktuacją, nie rzeczywistym odkryciem, fizycy wyrażają jakość zaobserwowanego sygnału w „sigmach” (σ) – miarach oczekiwanego statystycznego rozrzutu wyników. Przyjęło się przy tym w fizyce cząstek elementarnych, że dla ogłoszenia odkrycia nowej cząstki niezbędny jest sygnał na poziomie 5 σ, natomiast do ogłoszenia oznaki (evidence) potrzebne jest 3 σ. Sygnał ogłoszony przez eksperymenty LHC w grudniu 2011 miał poziom około 3 σ (nieco poniżej dla eksperymentu CMS, nieco powyżej dla ATLAS). Eksperymenty zobaczyły więc oznaki istnienia cząstki o masie około 125 GeV, ale nie mogły ogłosić jej odkrycia.

Z początkiem kwietnia 2012 zderzacz LHC wznowił działanie po zimowej przerwie, ze zwiększoną energią wiązek (4 TeV na wiązkę, w porównaniu z 3,5 TeV w roku 2011) i znacznie zwiększoną ich intensywnością. W ciągu trzech miesięcy eksperymentom udało się zebrać więcej danych, niż w całym roku 2011, pozwalając na zmniejszenie statystycznej niepewności wyniku, a także przebadanie większej liczby możliwych sposobów jej rozpadu. Ogłoszenie wstępnych wyników tej analizy zapowiedziano na początek lipca, podczas odbywającej się co 2 lata światowej konferencji fizyki cząstek elementarnych.

Na dwa dni przed zapowiedzianym terminem ogłoszenia wyników z CERN, swoje ostateczne wyniki przedstawiły dwie grupy eksperymentalne, CDF i D0, pracujące przy Tevatronie, zderzaczu protonów i antyprotonów o energii w środku masy 1,96 TeV (0,98 TeV na wiązkę) znajdującym się w Stanach Zjednoczonych. Tevatron został zamknięty we wrześniu 2011, ale fizycy pracujący przy nim przeanalizowali dane zebrane w ciągu ponad 10 lat jego pracy przy najwyższej energii i znaleźli sygnał cząstki o masie pomiędzy 115 a 135 GeV, na poziomie 2,9 σ (połączone wyniki dwóch eksperymentów), czyli podobnym, jak ogłoszony przez CERN pół roku wcześniej.

Oczekiwane ogłoszenie wyników LHC odbyło się 4 lipca rano. Na seminarium odbywającym się w CERN-ie, a transmitowanym na żywo do Melbourne, gdzie odbywała się konferencja, rzecznicy obydwu zespołów eksperymentalnych przedstawili osobno swoje wyniki. Ze względu na krótki czas, jaki fizycy mieli na analizę danych, nie przedstawiono połączonego wyniku dwóch eksperymentów. Oba zespoły analizowały po kilka możliwych kanałów rozpadu cząstki Higgsa, m.in. na dwa fotony, na 4 leptony naładowane i na 2 leptony naładowane i 2 neutrina. Oboje prezentujący uniknęli użycia słowa „odkrycie”, podkreślając, że wyniki są wstępne. Zespół CMS ogłosił sygnał 4,9 σ przy 125,3±0,6 GeV, zaś ATLAS nadwyżkę 5 σ przy masie 126,5 GeV. Wyniki przyjęte zostały owacyjnie.

Czy więc odkryto poszukiwaną cząstkę Higgsa? Prześledźmy odpowiedź krok po kroku:

  • Czy możemy uznać, że odkryto nową cząstkę elementarną? Przy całej ostrożności eksperymentatorów, fakt że wyniki dwóch eksperymentów zgadzają się ze sobą i leżą na granicy ogłoszenia odkrycia, oraz dodatkowe potwierdzenie przez eksperymenty przy Tevatronie, pozwala odpowiedzieć twierdząco. Jest praktycznie pewne, że odkryto nową cząstkę elementarną o masie około 125 GeV.
  • Czy odkryta cząstka to bozon Higgsa? Odpowiedź na to pytanie jest mniej pewna. Wiemy, że obserwowane prawdopodobieństwa produkcji i rozpadu na niektóre, badane do tej pory stany końcowe zgadzają się z teoretycznie przewidywanymi dla cząstki Higgsa. Ponadto fakt, że cząstka może się rozpadać na dwa fotony, wskazuje że jest ona bozonem o spinie 0 lub 2 (wartość 2 jest przy tym mniej prawdopodobna) – zgadza się to z oczekiwaną dla bozonu Higgsa wartością 0. Nie widać wreszcie innych kandydatów na cząstkę Higgsa, eksperymenty wykluczyły istnienie cząstki o podobnych własnościach przy innej masie, aż do ponad 500 GeV. Dlatego możemy z dużym prawdopodobieństwem powiedzieć, że nowo odkryta cząstka jest poszukiwanym bozonem Higgsa.
  • Czy jest to bozon Higgsa przewidywany przez Model Standardowy? Model Standardowy przyjął najprostszą możliwą strukturę pola Higgsa spełniającą wymaganie nadawania mas innym cząstkom. Możliwe jest jednak skonstruowanie teorii w której struktura pola Higgsa jest bogatsza i objawia się istnieniem kilku różnych cząstek. Wspominaliśmy też już, że wiele teorii rozszerzających Model Standardowy przewiduje bogatszy zestaw cząstek Higgsa i nieco inne ich własności. Na pytanie, czy widzimy „standardowego” Higgsa trudno jest udzielić odpowiedzi na podstawie zebranych do tej pory danych. Prawdopodobieństwa produkcji i  rozpadów w większości zgadzają się z przewidywaniami, ale niektóre sposoby rozpadu od nich jednak od nich odstają. Statystyczne niepewności tych pomiarów są na razie duże, więc niezgodności te mogą zniknąć z napływem większej ilości danych. Pewnym ograniczeniem dla alternatywnych teorii jest wspomniany już brak innych cząstek podobnych do cząstki Higgsa aż do mas przekraczających 500 GeV. Niemniej jednak jedyne, co jesteśmy obecnie w stanie powiedzieć, to że nowa cząstka ma własności spójne z cząstką Higgsa przewidywaną przez Model Standardowy. Precyzyjniejsze pomiary będą zapewne w stanie przyjąć lub wykluczyć w przyszłości wiele alternatywnych teorii.

 

Co dalej w takim razie?

Oba zespoły w CERN zbierają nadal dane, LHC będzie pracował do końca tego roku. Eksperymentatorzy mają nadzieję do końca roku jeszcze co najmniej podwoić ilość zebranych danych, możemy się więc spodziewać, że do końca roku 2012 odkrycie nowej cząstki zostanie jednoznacznie potwierdzone.

W latach 2013-2014 planowana jest przerwa techniczna w funkcjonowaniu Wielkiego Zderzacza, związana z przygotowaniem go do osiągnięcia pełnej projektowanej energii i intensywności wiązek. Fizycy będą w tym czasie starannie przeglądali zebrane przez do tego momentu dane, by wydobyć z nich jak najwięcej informacji. Być może jeszcze w roku 2013 otrzymamy potwierdzenie, czy nowa cząstka jest oczekiwaną cząstką Higgsa i czy jest to jej wersja przewidywana przez Model Standardowy, czy też widzimy coś bardziej egzotycznego. Wielu fizyków oczekuje niecierpliwie na eksperymentalne wskazówki gdzie należy szukać teorii ogólniejszej od Modelu Standardowego i własności pola Higgsa mogą być taką wskazówką.

Dużo trudniej przewidzieć, co czeka nas po roku 2015, gdy LHC osiągnie swą docelową energię 7 TeV na wiązkę. Jest to energia, przy której powinny być już widoczne efekty przewidywane przez niektóre proponowane rozszerzenia Modelu Standardowego, na przykład przez hipotezę supersymetrii.

„Boska cząstka”?

Czytelnicy, którzy dotrwali do tego miejsca, dziwią się być może, jak udało się w tak długim tekście nie użyć ani razu tego określenia, chociaż większość doniesień prasowych umieszczała je od razu w tytule, a w najgorszym wypadku w pierwszych zdaniach artykułu. Powód jest prosty: fizycy bardzo rzadko używają tego terminu, a wielu wręcz krzywi się, gdy go słyszy. Bozon Higgsa jest dla nich po prostu jeszcze jedną cząstką fundamentalną, kwantem pewnego pola. Jest, owszem, w pewnym sensie wyjątkowy: wszystkie dotychczas odkryte cząstki fundamentalne były albo fermionami – „cząstkami materii”, albo bozonami – nośnikami oddziaływań. Cząstka Higgsa jest bozonem, ale nie jest nośnikiem żadnego oddziaływania, nie mieści się w tej klasyfikacji. Ale nie nadaje jej to żadnych boskich, czy innych mistycznych własności. Nazwa „boska cząstka” zaistniała niecałe 20 lat temu, jako tytuł popularno-naukowej książki autorstwa Leona Ledermana i okazała się bardzo medialna, być może nawet zbyt medialna. Zdaniem wielu fizyków, w tym samego Petera Higgsa, wywołuje ona niewłaściwe skojarzenia i nie powinna być używana.

Jerzy Michał Pawlak

Print Friendly, PDF & Email

40 komentarzy

  1. Walter Chełstowski 2012-07-13
  2. Anna Malinowska 2012-07-13
  3. narciarz2 2012-07-13
    • Hazelhard 2012-07-14
  4. Zdzislaw M.Szulc 2012-07-14
  5. PK 2012-07-14
  6. Hazelhard 2012-07-14
    • BM 2012-07-14
  7. JMP 2012-07-14
  8. Hazelhard 2012-07-14
    • JMP 2012-07-14
      • Hazelhard 2012-07-14
        • JMP 2012-07-14
  9. Krzysztof Mazur 2012-07-14
    • JMP 2012-07-14
  10. Zbyszek, Lubin 2012-07-14
    • JMP 2012-07-14
      • Hazelhard 2012-07-15
        • JMP 2012-07-15
        • Hazelhard 2012-07-15
        • Hazelhard 2012-07-15
        • PK 2012-07-15
        • JMP 2012-07-15
  11. Hazelhard 2012-07-15
  12. Hazelhard 2012-07-15
    • JMP 2012-07-15
      • Hazelhard 2012-07-15
        • JMP 2012-07-15
        • hazelhard 2012-07-16
  13. Hazelhard 2012-07-15
    • PK 2012-07-16
  14. hazelhard 2012-07-16
    • JMP 2012-07-16
      • hazelhard 2012-07-16
        • JMP 2012-07-17
        • hazelhard 2012-07-17
        • JMP 2012-07-17
  15. m 2012-07-16
  16. Witold Ferens 2012-07-16
    • JMP 2012-07-17
WP Twitter Auto Publish Powered By : XYZScripts.com