Przez
Najnowsze osiągnięcia teoretyczne pogłębiły wiedzę na temat właściwości bozonu Higgsa, koncentrując się na jego przekroju poprzecznym podczas zderzeń gluon-gluon. Badanie to podkreśla znaczenie poprawek wyższego rzędu i potwierdza przewidywania Modelu Standardowego, przy czym oczekuje się, że dalsze badania wyjaśnią potencjał nowej fizyki.
Nowe badania potwierdzają przewidywania Modelu Standardowego dotyczące bozonu Higgsa, sugerując jednocześnie, że przyszłe dane mogą ujawnić nieznane aspekty fizyki cząstek elementarnych.
Bozon Higgsa odkryto kilkanaście lat temu w detektorach Wielkiego Zderzacza Hadronów. Okazało się, że jest to cząstka tak trudna do wytworzenia i zaobserwowano, że pomimo upływu czasu jej właściwości nadal nie są znane z zadowalającą dokładnością. dokładność. Teraz wiemy nieco więcej o jego pochodzeniu, dzięki właśnie opublikowanemu osiągnięciu międzynarodowej grupy fizyków teoretyków przy udziale Instytutu Fizyki Jądrowej PAN.
Odkrycie bozonu Higgsa
Świat naukowy jest jednomyślny w opinii, że największym odkryciem dokonanym za pomocą Wielkiego Zderzacza Hadronów (LHC) jest słynny bozon Higgsa. Od dwunastu lat fizycy starają się jak najdokładniej poznać właściwości tej jakże ważnej cząstki elementarnej. Zadanie jest niezwykle trudne zarówno ze względu na wyzwania eksperymentalne, jak i liczne przeszkody obliczeniowe.
Na szczęście właśnie nastąpił znaczny postęp w badaniach teoretycznych, dzięki grupie fizyków z Instytutu Fizyki Jądrowej PAN (IFJ PAN) w Krakowie, Uniwersytetu RWTH Aachen (RWTH) w Aachen i Max- Planck-Institut für Physik (MPI) w Garching koło Monachium.
„Cząstka Boga”
Bozon Higgsa, często nazywany „Boską Cząstką”, zyskał ten przydomek od tytułu książki Leona Ledermana. Oryginalny, bardziej lekceważący tytuł „The Goddamn Particle” miał odzwierciedlać frustrację związaną z trudnością w jej wykryciu. Wydawca zdecydował się na mniej kontrowersyjną nazwę, która oddaje znaczenie bozonu Higgsa w fizyce cząstek elementarnych: ma ona kluczowe znaczenie dla teorii wyjaśniającej, w jaki sposób inne cząstki nabywają masę, co jest podstawowym aspektem struktury naszego wszechświata.
Bozon Higgsa (niebieski) może powstać w wyniku oddziaływania gluonów (żółty) podczas zderzeń protonów. Protony składają się z dwóch kwarków górnych (czerwony) i jednego dolnego (fioletowy), związanych gluonami tak silnie, że w morzu cząstek wirtualnych (szary) mogą pojawić się masywniejsze kwarki i antykwarki, na przykład piękne kwarki, obecność co ma również wpływ na proces narodzin bozonów Higgsa. Źródło: IFJ PAN
Rola modelu standardowego
Model Standardowy to złożona struktura teoretyczna skonstruowana w latach 70. XX wieku w celu spójnego opisu znanych obecnie elementarnych cząstek materii (kwarków, a także elektronów, mionów, tau i związanej z nimi trójcy neutrin) oraz sił elektromagnetycznych (fotonów) i sił jądrowych (gluony w przypadku oddziaływań silnych, bozony W i Z w przypadku oddziaływań słabych).
Wisienką na torcie powstania Modelu Standardowego było odkrycie, dzięki LHC, bozonu Higgsa, cząstki odgrywającej kluczową rolę w mechanizmie odpowiedzialnym za nadawanie mas pozostałym cząstkom elementarnym. Odkrycie Higgsa ogłoszono w połowie 2012 roku. Od tego czasu naukowcy starają się zdobyć jak najwięcej informacji o tej fundamentalnie ważnej cząstce.
Ulepszanie analizy zderzeń bozonu Higgsa
„Dla fizyka jednym z najważniejszych parametrów związanych z każdą cząstką elementarną lub jądrową jest przekrój poprzeczny konkretnego zderzenia. Dzieje się tak, ponieważ dostarcza nam informacji o tym, jak często możemy się spodziewać, że cząstka będzie pojawiać się w zderzeniach określonego typu. Skupiliśmy się na teoretycznym wyznaczaniu przekroju poprzecznego bozonu Higgsa w zderzeniach gluon-gluon. Odpowiadają za produkcję około 90% Higgsa, którego ślady zarejestrowano w detektorach akceleratora LHC” – wyjaśnia dr Rene Poncelet (IFJ PAN).
Prof. Michał Czakon (RWTH), współautor artykułu w prestiżowym czasopiśmie fizycznym Listy z przeglądu fizycznego, w którym naukowcy przedstawili swoje obliczenia, dodaje: „Istotą naszej pracy była chęć uwzględnienia przy wyznaczaniu przekroju aktywnego do produkcji bozonów Higgsa pewnych poprawek, które ze względu na ich pozornie niewielki udział są zwykle zaniedbywane, gdyż ignorowanie ich znacznie upraszcza obliczenia. Po raz pierwszy udało nam się przezwyciężyć trudności matematyczne i określić te poprawki.”
Znaczenie poprawek wyższego rzędu
O znaczeniu poprawek wyższego rzędu dla zrozumienia właściwości bozonów Higgsa świadczy fakt, że obliczone w pracy poprawki wtórne, pozornie niewielkie, wnoszą prawie jedną piątą wartości poszukiwanego aktywnego krzyża Sekcja. Można to porównać z poprawkami trzeciego rzędu wynoszącymi trzy procent (ale które zmniejszają niepewności obliczeniowe do zaledwie jednego procenta).
Nowością w pracy było uwzględnienie wpływu mas kwarków dolnych, co doprowadziło do niewielkiego, ale zauważalnego przesunięcia o około jeden procent. Warto w tym miejscu przypomnieć, że w LHC zderzają się protony, czyli cząstki składające się z dwóch kwarków górnych i jednego dolnego. Tymczasowa obecność kwarków o większych masach wewnątrz protonów, takich jak kwark piękności, jest konsekwencją kwantowego charakteru oddziaływań silnych, które wiążą kwarki w protonie.
„Wartości aktywnego przekroju poprzecznego produkcji bozonu Higgsa znalezione przez naszą grupę i zmierzone podczas poprzednich zderzeń wiązek w LHC są praktycznie takie same, oczywiście biorąc pod uwagę obecne niedokładności obliczeniowe i pomiarowe. Wydaje się zatem, że w mechanizmach odpowiedzialnych za powstawanie bozonów Higgsa, które badamy – przynajmniej na razie – nie widać żadnych zwiastunów nowej fizyki” – podsumowuje prace zespołu dr Poncelet.
Implikacje dla modelu standardowego i nowej fizyki
Powszechne przekonanie wśród naukowców o konieczności istnienia nowej fizyki wynika z faktu, że na wiele fundamentalnie ważnych pytań nie da się odpowiedzieć za pomocą Modelu Standardowego. Dlaczego cząstki elementarne mają takie masy? Dlaczego tworzą rodziny? Z czego zbudowana jest ciemna materia, której ślady są tak wyraźnie widoczne w kosmosie? Jaka jest przyczyna przewagi materii nad antymaterią we Wszechświecie? Model Standardowy również wymaga rozszerzenia, ponieważ w ogóle nie uwzględnia grawitacji, która jest tak częstym oddziaływaniem.
Przyszłość badań nad bozonem Higgsa i modelu standardowego
Co ważne, najnowsze osiągnięcie fizyków teoretyków z IFJ PAN, RWTH i MPI nie wyklucza definitywnie obecności nowej fizyki w zjawiskach towarzyszących narodzinom bozonu Higgsa. Wiele może się zmienić, gdy zaczną analizować dane z rozpoczynającego się stopniowo czwartego cyklu badawczego Wielkiego Zderzacza Hadronów.
Rosnąca liczba obserwacji nowych zderzeń cząstek może pozwolić na zawężenie niepewności pomiarowych w taki sposób, że mierzony zakres dopuszczalnych przekrojów poprzecznych dla produkcji Higgsa nie będzie już pokrywał się z określonym przez teorię. Czy tak się stanie, fizycy przekonają się za kilka lat. Na razie Model Standardowy może czuć się bezpieczniej niż kiedykolwiek – i fakt ten powoli zaczyna być najbardziej zaskakującym odkryciem dokonanym za pomocą LHC.
Odniesienie: „Top-Bottom Interference Contribution to Fully Inclusive Higgs Production” autorstwa Michała Czakona, Felixa Eschmenta, Marco Niggetiedta, Rene Poncelet i Toma Schellenbergera, 23 maja 2024 r., Listy z przeglądu fizycznego.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.132.211902
