Η αλληλεπίδραση του σωματιδίου Higgs με τον εαυτό του

Posted on 05/09/2018

0


… στο μικροσκόπιο της ερευνητικής ομάδας ATLAS του CERN

O μηχανισμός Brout-Englert-Higgs (BEH) αποτελεί τον πυρήνα της θεωρίας του μικρόκοσμου των στοιχειωδών σωματιδίων. Αυτή η θεωρία, που συνήθως αναφέρεται ως Καθιερωμένο Πρότυπο, περιγράφει τα θεμελιώδη συστατικά της ύλης και τις αλληλεπιδράσεις τους. Επιπλέον εισάγει ένα νέο πεδίο, το πεδίο Higgs, μέσα από το οποίο οι φορείς της ασθενούς αλληλεπίδρασης, τα ασθενή μποζόνια W± και Z αποκτούν μάζα, ενώ οι φορείς της ηλεκτρομαγνητικής αλληλεπίδρασης παραμένουν χωρίς μάζα. Η διέγερση αυτού του πεδίου είναι ένα φυσικό σωματίδιο, το σωματίδιο Higgs, το οποίο ανιχνεύθηκε για πρώτη φορά το 2012, από τις ερευνητικές ομάδες ATLAS και CMS στο CERN.

O μηχανισμός BEH προβλέπει επίσης ότι το πεδίο Higgs μπορεί να αλληλεπιδράσει με τον εαυτό του, με άλλα λόγια, ένα μόνο (εικονικό) μποζόνιο Higgs μπορεί να διασπαστεί σε δυο μποζόνια Higgs. H παρατήρηση και η μέτρηση αυτής της ιδιο-αλληλεπίδρασης, ή της «αυτo-σύζευξης Higgs», θα ήταν η απόλυτη επιβεβαίωση της θεωρίας γέννησης της μάζας, ενώ κάθε απόκλιση από το Καθιερωμένο Πρότυπο θα άνοιγε ένα παράθυρο για νέες θεωρίες φυσικής.

Δυστυχώς όμως, η θεωρία προβλέπει πως ο αριθμός παραγωγής των ζευγών Higgs είναι πολύ σπάνιος όταν συγκρούονται πρωτόνια – περίπου χίλιες φορές μικρότερος από τον ρυθμό παραγωγής ενός μόνο μποζονίου Higgs. Και τα πράγματα γίνονται χειρότερα, διότι δεν προκύπτουν όλα τα ζεύγη Higgs μόνο εξαιτίας της «αυτo-σύζευξης Higgs». Επομένως, απαιτείται τεράστιος όγκος πειραματικών δεδομένων για την ανίχνευση αυτής της διαδικασίας, καθιστώντας  αναγκαία την αναβάθμιση του Μεγάλου Επιταχυντή Αδρονίων (LHC) προς έναν υψηλής φωτεινότητας Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων (HL-LHC).  Σήμερα ο LHC μπορεί να παράγει έως ένα δισεκατομμύριο συγκρούσεις πρωτονίων ανά δευτερόλεπτο. Ο μελλοντικός HL-LHC θα αυξήσει κατά πέντε έως επτά φορές αυτό τον αριθμό, γνωστό ως «φωτεινότητα» στους σωματιδιακούς φυσικούς.

Ωστόσο είναι σημαντικό να διερευνηθεί το φαινόμενο της αυτοζύζευξης Higgs και στον τωρινό μικρότερο όγκο δεδομένων. Αν πιθανόν βρεθεί ένας αυξημένος ρυθμός παραγωγής ζευγών Higgs, αντίθετα με της προβλέψεις του Καθιερωμένου Προτύπου, τότε ανοίγονται νέοι ορίζοντες στην φυσική, πολύ πριν την αναβάθμιση του LHC.

Η ερευνητική ομάδα ATLAS έψαξε για τα ζεύγη μποζονίου Higgs (HH) στο σύνολο των δεδομένων που συλλέχθηκαν την διετία 2015-16, θεωρώντας διάφορα κανάλια διάσπασης των ζευγών HIggs. Τα κανάλια διάσπασης που ανιχνεύονται ευκολότερα είναι: το ένα μποζόνιο Higgs να διασπάται σε ζεύγος κουάρκ πυθμένων και το άλλο είτε πάλι σε ζεύγος κουάρκ πυθμένων (HH → bbbb) είτε σε δυο λεπτόνια ταυ (HH → bbττ) ή δύο φωτόνια (HH → bbγγ). Αυτές οι τρεις περιπτώσεις συνδυάστηκαν στατιστικά, αναζητώντας πόσο πιθανός είναι ένας αυξημένος ρυθμός παραγωγής ζυγών ΗΗ πέραν των προβλέψεων του Καθιερωμένου Προτύπου. Το αποτέλεσμα ήταν να αποκλειστούν ρυθμοί παραγωγής 6,7 φορές μεγαλύτεροι  από την πρόβλεψη του Καθιερωμένου Προτύπου με βεβαιότητα 95%.

Οι φυσικοί έχουν εισάγει τον παράγοντα κλ, ο οποίος μας δείχνει αν η αυτο-σύζευξη Higgs διαφέρει από την πρόβλεψη του Καθιερωμένου Προτύπου (οπότε η ερμηνεία της θα απαιτούσε νέα φυσική). Ο πρόσφατος στατιστικός συνδυασμός των αναζητήσεων HH του ATLAS περιορίζει την τιμή κλ μεταξύ των τιμών -5,0 και +12,1, με 95% βεβαιότητα. Είναι ο πιο αυστηρός περιορισμός που έγινε για την παράμετρο κλ μέχρι σήμερα.

Τα ζεύγη μποζονίων Higgs είναι επίσης μια σημαντική υπογραφή νέων βαρέων σωματιδίων που διασπώνται βάσει διάφορων σεναρίων πέραν της γνωστής θεωρίας. Τα σενάρια επέκτασης του Καθιερωμένου Προτύπου περιλαμβάνουν ένα επιπλέον μποζόνιο Higgs ή την διέγερση ενός βαρυτονίου σε θεωρίες με επιπλέον χωρικές διαστάσεις. Οι συνδυασμένες αναζητήσεις ζευγών HH που πραγματοποιούνται από την ερευνητική ομάδα ATLAS στο σύνολο των δεδομένων 2015-2016 θα επιβάλλουν αυστηρούς περιορισμούς και στους ρυθμούς παραγωγής τέτοιων συντονισμών στον LHC.

πηγή: https://atlas.cern/updates/physics-briefing/atlas-searches-double-higgs-production