CERN a observat o dezintegrare îndelung căutată a bosonului Higgs

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

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

Modelul Standard al fizicii particulelor prezice ca în aproape 60% din timp, bosonul Higgs se va dezintegra într-o pereche de cuarci bottom. Cuarcul bottom face parte dintr-o serie de şase tipuri de cuarci. Este al doilea cel mai greu, după cuarcul top. Este crucial a se verifica experimental această predicţie a teoriei. Rezultatul experimental ori ar confirma şi mai mult teoria Modelului Standard, care prezice că un câmp Higgs care se află peste tot în Univers conferă masă cuarcilor şi altor particule elementare, ori ar dărâma din temelii Modelul Standard, revelând existenţa unor fenomene fizicii noi (new physics), care ar echivala cu o revoluţie în fizica particulelor.

A observa această dezintegrare de boson Higgs în doi cuarci bottom nu e nici pe departe uşor. Dovadă că au trecut şase ani de la descoperirea bosonului Higgs până la această observare experimentală. De unde vine dificultatea? Există multe moduri în care cuarci bottom sunt produşi în coliziunile proton-proton de la LHC. De aceea, este greu a separa „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 şase ani, a fost observat dezintegrându-se în particule în care se dezintegra de fapt mult mai rar, de exemplu în doi fotoni, dar acest semnal rar era mult mai uşor de identificat dintr-un zgomot de fond care era mult mai mic.

Pentru a extrage semnalul, colaborările ATLAS  şi CMS au combinat fiecare datele colectate de ele în prima şi 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 şi apoi 8 TeV în 2012) si Run-2 (la o energie de masa de 13 TeV, intre anii 2015 şi 2017). Apoi au folosit metode complexe de analiză pentru a analiza marile cantităţi de date. Drept rezultat, atât ATLAS cât şi CMS au observat producerea bosonului Higgs urmată de dezintegrarea în doi cuarci bottom cu o importanţă 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.

Directorul experimentului ATLAS, Karl Jacobs, a declarat: „Această observare este o reuşită foarte importantă în explorarea bosonului Higgs. Arată că atât ATLAS şi CMS au obţinut o înţelegere profundă a datelor lor, precum şi un control al zgomotului de fond care întrece orice aşteptare a noastră. Cu acest rezultat, ATLAS a observat că bosonul Higgs interacţionează cu toate particulele din generaţia cea mai masivă (a treia), atât cuarci, cât şi leptoni (adică leptonul tau, fratele mai mare al electronului). Dar ATLAS mai observat totodată şi 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)“.

Şi directorul experimentului CMS, Joel Butler, şi-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 şi acum cuarcul bottom. Ce ne-a permis să obţinem acest rezultat mai devreme decât ne aşteptam au fost performanţa deosebită a acceleratorului de la CERN, LHC, şi folosirea tehnicilor de inteligenţă artificială pentru învăţare automată (machine learning)“.

Pe măsură ce se vor analiza şi mai multe date (precum cele colectate chiar acum în 2018), cele două experimente vor îmbunătăţi precizia acestor măsurători, dar şi a altora, şi vor căuta a descoperi sau a observa dezintegrările prezise pentru bosonul Higgs şi în perechi de fermioni mai puţin masivi, adică în muoni, care sunt alţi fraţi mai mari ai electronilor, dar mai uşori decât leptonii tau. Mereu ambele experimentele vor fi atente la deviaţii subtile de la teoria actuală pe care le-ar releva datele, care ar sugera prezenţa unor fenomene noi, dincolo de Modelul Standard.

Directorul CERN pentru cercetare şi computing, Eckhard Elsen, concluzionează: „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 totuşi rezultate timpurii în planurile pe termen lung ale CERN-ului pentru acceleratorul LHC. LHC va fi îmbunătăţit (upgradat) pentru a îmbunătăţi considerabil cantitatea de date colectate (statistica). Metodele de analiză au obţinut precizia necesară pentru a explora detaliat toate cazurile posibile de interacţii între particule. Sperăm ca aceste măsurători de precizie să descopere fenomene fizice noi din deviaţii mici, subtile, faţă de Modelul Standard“.

Comunicatul de presă al ATLAS
Comunicatul de presă al CMS
Articol trimis la revistă de ATLAS
Articol trimis la revistă de CMS

Video pedagogic: De ce e importantă descoperirea interacţiei bosonului Higgs cu cuarcul bottom, de profesorul Steve Sekula, din ATLAS.

28 august 2018, comunicat de presă al CERN, cu mici adăugiri/completări de Adrian Buzatu, inserate direct in fraze. Textul original.