Deja în prima zi a evenimentului a fost anunţată descoperirea de către experimentul LHCb a unei noi particule subatomice formată din trei alte particule mai mici denumite quarci. Noutatea este că doi dintre aceştia sunt quarci charm. Si masa particulei este exact unde au prezis-o doi cercetători israelieni în 2004. Cu alte cuvinte, fizica particulelor elementare este solidă, teoria făcând predicţii care sunt apoi confirmate solid de experiment. O analiză frumoasă a rezultatului e oferită de Tommaso Dorigo in blogul Quantum Diaries.

Dar a mai fost anunţat un rezultat important, căruia îi este dedicat acest articol. Este vorba de experimentul ATLAS, tot de la CERN, care a făcut un pas important înaiinte spre observarea bosonului Higgs dezintegrându-se în doi quarci bottom (H->bb). Despre ce este vorba? De ce este important? Ne confirmă sau infirmă teoria actuala a fizicii particulelor? Care sunt paşii următori? La aceste întrebări vom răspunde mai jos, introducând un pic istoricul acestei căutari, la care autorul acestui articol a contribuit timp de zece ani neîntrerupţi.


Este imaginea unei fotografii făcută de detectorul ATLAS, care arată foarte mult cu a unui boson Higgs. Ar putea fi un boson Higgs, dar nu putem fi încă siguri!

H->bb a marcat întreaga carieră de cercetare de cercetare a semnatarului acestui articol, întâi la experimentul CDF de la laboratorul american Fermilab, pe când era student la doctorat la universitatea McGill din Canada, iar apoi la experimentul ATLAS de la CERN, ca postdoctorat patru ani la Universitatea din Glasgow (Regatul Unit), iar in ultimul an la universitatea Tsinghua din Beijing (China) şi institutul Academia Sinica din Taipei (Taiwan).

Bosonul Higgs este o particulă elementară prezisă cu jumătate de secol în urmă pentru a explica de ce particulele elementare deja cunoscute au masă, adica un numar de kilograme. Fără masă, particulele ar zbura mereu cu viteza luminii. Nu ar putea sta împreună să formeze atomi stabili. Asadar, molecule chimice, celule biologice şi noi nu am exista. Problema originii masei este aşadar legată direct de întrebarea filosofică de ce existăm? A durat jumătate de secol până la observarea experimentală a acestei particule elementare la laboratorul CERN, in 2012, simultan, de către experimentele ATLAS şi CMS. Experimentul a confirmat teoria şi credem că înţelegem originea masei. Premiul Nobel a fost acordat în anul imediat următor teoreticienilor care au prezis existenţa particulei: Peter Higgs şi Robert Brout. O explicaţie de 16 minute video în limba engleză a rolului jucat de bosonul Higgs în existenţa noastră a fost oferită de autorul acestul articol la TEDxBucharest în 2015.

Dar oare s-a clarificat totul cu privire la originea masei şi bosonul Higgs? Nu! Acest răspuns reuşit al ştiinţei a generat noi întrebări. Există un singur boson Higgs, aşa cum prezice teoria actuală, cea foarte de succes, denumită Modelul Standard? Sau există mai mulţi bosoni Higgs, aşa cum sugerează teorii care dezvoltă mai departe Modelul Standard? Teoreticienii ştiu ca Modelul Standard nu este complet, adică există fenomene în natură pe care acesta nu le explică, precum:

1) Dacă la începutul Universului au fost create cantităţi egale de materie şi antimaterie, iar Universul actual e format 99% doar din materie, unde a dispărut antimateria?

2) Dacă în prezent se măsoare că doar 5% din Univers este formată din materie obişnuită, precum cea de pe Pamânt, planete şi Soare, dar 25% este formată dintr-o formă de materie invizibilă (denumită materie neagră sau întunecată), din ce particule elementare este creată acestă materie neagră, cărei legi fizice i se supune? Mai rămâne şi restul de 70%, care face ca Universul să se extindă tot mai rapid, accelerat, care pare a fi un fel de energie întunecată, despre care nu se ştie nimic, nici măcar dacă este într-adevăr o formă de energie.

3) Cum se unifică într-o singură teorie toate cele patru forţe elementare din Univers (electromagnetică, slabă, tare şi gravitaţională)? Şi mai sunt şi alte întrebări ...

Aşadar, fizicienii de la CERN şi de la alte laboratoare de fizica particulelor din lume caută asiduu în datele colectate de experimentele lor semne că ar exista particule elementare noi, sau moduri noi în care ele interacţionează (adică noi forţe ale naturii), sau în general dovezi că particulele nu s-ar comporta exact aşa cum prezice teoria Modelului Standard. Rezultă aşadar un program susţinut de a măsura tot ce se poate măsura şi a compara fiecare rezultat experimental cu predicţia sa teoretică. Nu e de mirare ca experimentele ATLAS şi CMS de la CERN au fiecare în jur de trei mii de persoane, iar experimentul CMS cu în jur de şase sute este considerat un experiment mic!

Dar să revenim la bosonul Higgs! Acum că a fost descoperit în 2012, acesta devine o unealtă foarte utilă pentru a vedea dacă datele experimentale colectate susţin teoria din prezent, Modelul Standard, care prezice existenţa a unui singur boson Higgs, sau una din teoriile care merg dincolo de Modelul Standard, care prezic existenţa a cel puţin cinci bosoni Higgs. Din cei cinci, unul este prezis a avea proprietăţi foarte asemănătoare, dar, esenţial, nu identice, cu cele prezise de Modelul Standard. Rezultă ca trebuie colectate cantităţi tot mai mari de acest boson Higgs, iar proprietăţile sale să fie studiate în mare detaliu. Iar acestea vor oferi indicii subtile daca proprietăţile sunt cele din Modelul Standard, sau diferă foarte puţin, dar clar, dovedind o teorie dincolo de Modelul Standard şi deci o revoluţie în fizica particulelor elementare!

Aici intervine în scenă modul de dezintegrare a bosonului Higgs în doi cuarci bottom (H->bb). Bosonul Higgs este prezis de mecanismul care dă masa tuturor particulelor care au masă. Aşadar, bosonul Higgs trebuie să se descompună în toate perechile de particulă şi antiparticulă care au masă. Cat de des? Cu atât mai des într-o pereche cu cat masa particulei este mai mare. Zic masa particulei, caci masa unei particule de materie este egală cu masa unei particule de antimaterie, ele având sarcină electrică cu semn opus. Asfel, de fapt nu este doi quarci bottom, ci un quark bottom şi un antiquark bottom.

Bosonul Higgs se descompune cel mai des, anume 58%, în doi quarci bottom! Căci cuarcul bottom este particula elementară cu masa cea mai mare din cele care au masa mai mică decât cea a bosonului Higgs! Dar acest mecanism de dezintegrare încă nu a fost observat şi confirmat! Este important a o face, pentru ca apoi să se măsoare dacă într-adevar numărul obţinut este în acord cu acest 58% prezis de teorie. Mici devieri ar sugera o fizică dincolo de Modelul Standard şi ar fi o revoluţie în fizica particulelor elementare!

Această analiză de date este foarte dificilă. Există şi alte fenomene care nu sunt bosoni Higgs, ci obişnuite prodise de Modelul Standard, care produc cuarci bottom. Aceste fenomene reprezintă zgomot de fond (background) care bruiază cautarea semnalului nostru (signal, adica bosonul Higgs).

Până în 2012, singurul loc din lume unde se căuta bosonul Higgs erau experimenele CDF şi DZero de la laboratorul american Fermilab. Fiecare căuta H->bb în trei moduri diferite. Autorul acestui articol a lucrat într-o echipă care a căutat într-unul din aceste trei moduri. Din cele şase, teza sa de doctorat a obţinut cel mai bun rezultat (şi implicit din lume) la momentul respectiv (vara lui 2011). Când cele şase analize au fost combinate într-un singur articol, s-a obţinut pentru prima dată indicii puternice despre existenţa bosonului Higgs in general, si despre H->bb în particular. Indicii puternice (evidence for) înseamna ceea ce fizicienii numesc ”trei sigma”, adică o şansă de a ne înşela de cam unu la mie. Pentru o descoperire, fizicienii aşteaptă borna kilometrică denumită ”cinci sigma”, adică o şansă de a se înşela de cam unu la un milion! Cei trei sigma erau observaţi în jurul unei valori a masei bosonului Higgs de cam 135 de unităţi de masă denumite giva electron volţi (GeV). Era primăvara lui 2012.

Bosonul Higgs a fost descoperit în iulie 2012, acum cinci ani. Masa sa a fost măsurată precis la 125 GeV. Ori la această valoare, experimentele combinate ale laboratorului Fermilab mai ofereau doar 2,8 sigma. Coborând astfel sub sub pragul psihologic de 3 sigma pentru indicii puternice. Si nu mai erau indicii puternice pentru H->bb.

Ei bine, dupa cinci ani, acest prag de 3 sigma a fost depăşit iarăşi, in prezentarea de ieri de la EPS 2017! Experimentul ATLAS de la CERN, de unul singur, într-o analiză de date efectuată de 59 din cei cam 3,000 de membri ai săi, între care şi de autorul acestui articol, a obţinut 3.5 sigma, folosind datele colectate în 2015 şi 2016! Experimentul CMS încă nu a publicat rezultate din 2015 şi 2016, dar este aşteptat să o facă în curând.

Iată aşadar că avem indicii puternice că bosonul Higgs cu masa de 125 GeV, care a fost observat a se dezintegra in alte particule (bosoni W, Z, fotoni, leptoni tau) se dezintegrează într-adevăr în doi cuarci bottom! Însă înca nu putem pretinde că acest fenoment este observat (sau descoperit). Pentru aceasta trebuie să aşteptăm 5 sigma, care poate, dar nu este sigur, va fi obţinut în 2019, pe baza analizei datelor care vor fi colectate şi în 2017 şi 2018. Este o analiză foarte complicată, dificilă. Dar fizicienii dau mereu dovadă de igeniozitate. Folosesc cele mai avansate tehnici de analiză de date, precum maşini care învaţă automat pentru a separa fotografiile colectate în clase de tipul semnal şi de tipul zgomot de fond.

O altă îmbunătăţire este cea produsă de autorul acestui articol. Care îmbunătăţeşte pas cu pas energia măsurată a quarcilor bottom, care se traduce într-o îmbunătăţire a masei particula mamă a celor doi cuarci (mbb), adică masei particulei candidat a fi bosonul Higgs! Figura de mai jos este chiar figura numărul unu din articolul prezentat la conferinta EPS. Este şi în prezentarea orală a acestui rezultat H->bb de la conferinţă. Prezintă o parte din munca de cercetare a autorului acestui articol. Se vede cum se trece gradual de la negru la albastru, mov, apoi roşu. Cu cât distribuţia devine mai strâmtă, cu atât este este mai usor de separat bosonul Higgs de zgomotul de fond, iar analizei să îi crească numărul de sigma!

Simulări ale masei bosonului Higgs dezintegrat în doi cuarci bottom, pe baza energiilor măsurate pentru cei doi cuarci bottom. Mai multe corecţii sau calibrări au fost dezvoltate de autorul acestui articol pentru a fi aplicate una după alta pentru a măsura tot mai bine masa candidatului de boson Higgs (mbb). Cu cat ea este mai strâmtă, cu atât se separă mai bine de zgomotul de fond, ducând la o precizie mai mare a analizei, adică un sigma mai mare. 

În timp ce distribuţia de mai sus este din simulări pentru a arăta cum funcţionează asupra bosonului Higgs dezintegrat in cuarci bottom, cum apare ea in date reale, cu zgomtul de fond real? Figura de mai jos ce apare în comunicatul de presă al ATLAS este ilustrativă. Datele sunt cu negru, iar barele verticale sunt eroarea statistică asupra datelor. Cu gri este zgomotul de fond reprezentat de predicţia despre bosonii W sau Z, care se dezintegrează şi el în unul sau doi cuarci bottom, iar cu roşu predicţia pentru bosonul H->bb. Datele reproduc foarte bine această predicţie, adică sunt în acord cu existenţa unui boson Higgs. Dar cum putem cuantifica acest număr? Trei sigma (indicii puternice), sau cinci sigma (observaţie, sau descoperire?) Dar cat de des se dezintegreaza bosonul Higgs în doi cuarci bottom sunt în acord, sau dezacord, cu Modelul Standard? Cat de des se întamplă? Numărul care cuantifică aceasta se numeste ”tăria semnalului” (signal strength). Este litera mu de pe grafic. E ste prezis a fi exact unu pentru Modelul Standard. O valoare mai mare sau mai mică este o deviere de la Modelul Standard! Dar atenţie la eroarea de măsurare! Cu datele din 2015 şi 2016, este observată o valoare de 1.3 plus sau minus 0.4. Adăugându-se şi datele din 2015 şi 2016, este observată 0.9 plus sau minus 0.3. Astfel, în limia erorii, acestă măsurare este în acord cu teoria care prezice exact unu. Bătălia se dă aşadar pentru a măsura mai precis acest număr!

Imaginea masei prezise de simulări pentru bosonul Higgs (roşu) şi bosonii W si Z (gri), pe baza energiilor măsurare pentru cei doi cuarci bottom. Datele măsurate (negru) cu eroarea statistică (bare negre verticale) sunt în acord cu predicţia, oferind îndicii puternice pentru dezintegrarea bosonului Higgs în doi cuarci bottom.

Eroarea a tot fost micşorată şi va fi micşorată şi mai departe, pe măsura colectării de noi date în 2017 şi 2018, dar şi prin introducerea de metode de analiza statistică tot mai precise! Să sperăm la o observare clară de 5 sigma în 2019, şi, cine ştie, la o deviere faţă de 1.0, ceea ce ar duce la o revoluţie în fizica particulelor! 

Articolul a fost scris de Adrian Buzatu (adrianbuzatu.com), cercetător în fizica particulelor elementare la institutul Academia Sinica din Taipei, Taiwan. Este bazat la laboratorul CERN de la Geneva, unde lucrează la cautarea bosonului Higgs în doi cuarci bottom, dar nu numai. Pasionat de comunicarea fizicii particulelor pentru publicul larg, a scris în limba română numeroase articol pe această temă (adrianbuzatu.com/ro_outreach.html).

Articolul a fost publicat iniţial pe contributors.ro.