Bozon Higgsa został odkryty w detektorach akceleratora LHC już kilkanaście lat temu. Okazał się cząstką tak trudną do wyprodukowania i obserwacji, że mimo upływu czasu jego właściwości wciąż nie zostały poznane z zadowalającą dokładnością. Teraz wiadomo już nieco więcej o jego pochodzeniu – dzięki właśnie upublicznionemu osiągnięciu międzynarodowej grupy teoretyków z udziałem badaczy Instytutu Fizyki Jądrowej PAN w Krakowie.
Model Standardowy to złożona struktura teoretyczna, skonstruowana w latach siedemdziesiątych ubiegłego wieku w celu spójnego opisania obecnie znanych cząstek elementarnych materii (kwarków, a także elektronów, mionów, taonów i związanych z tą trójką neutrin) oraz sił elektromagnetycznych (fotonów) i jądrowych (gluonów w przypadku oddziaływań silnych, bozonów W i Z w przypadku oddziaływań słabych). W tworzeniu Modelu Standardowego wisienką na torcie było odkrycie bozonu Higgsa, cząstki odgrywającej kluczową rolę w mechanizmie odpowiedzialnym za nadawanie mas pozostałym cząstkom elementarnym. W zgodnej opinii świata nauki było to największe odkrycie dokonane za pomocą Wielkiego Zderzacza Hadronów. O znalezieniu higgsa poinformowano w połowie 2012 roku. Od tamtego czasu fizycy starają się jak najdokładniej poznać jego właściwości. Zadanie jest ekstremalnie trudne zarówno z uwagi na wyzwania eksperymentalne, jak i liczne przeszkody obliczeniowe.
Dla fizyka jednym z najważniejszych parametrów związanych z każdą cząstkę elementarną czy jądrową jest przekrój czynny na określone zderzenie. Niesie on bowiem informację o tym, jak często możemy spodziewać się pojawienia danej cząstki w zderzeniach wybranego typu. My skoncentrowaliśmy się na teoretycznym wyznaczeniu wartości przekroju czynnego bozonów Higgsa w zderzeniach gluon-gluon. Są one odpowiedzialne za produkcję około 90% higgsów, których ślady obecności zarejestrowano w detektorach akceleratora LHC – wyjaśnia dr Rene Poncelet z IFJ PAN.
Dzięki pracom jego zespołu, prowadzonym wraz z RWTH Aachen University w Aachen oraz Max-Planck-Institut für Physik (MPI) z Garching koło Monachium, można mówić o istotnym postępie w badaniach teoretycznych nad tą wyjątkowo ważną cząstką elementarną. Naukowcy postanowili uwzględnić przy wyznaczaniu przekroju czynnego na produkcję bozonów Higgsa pewne poprawki, które z uwagi na pozornie niewielki wkład zazwyczaj są pomijane, ponieważ ich zignorowanie znacząco upraszcza obliczenia.
O tym, jak istotna jest rola poprawek wyższych rzędów dla zrozumienia właściwości bozonów Higgsa może świadczyć fakt, że poprawki drugorzędowe, pozornie niewielkie, wnoszą niemal jedną piątą do wartości poszukiwanego przekroju czynnego. Dla porównania: poprawki trzeciego rzędu są na poziomie trzech procent (ale za to redukują niepewności obliczeniowe do zaledwie jednego procenta). Nowością w badaniach polsko-niemieckiego zespołu było uwzględnienie wpływu mas kwarków pięknych, co doprowadziło do niewielkiego, ale zauważalnego dodatkowego przesunięcia wartości o około jeden procent. Warto w tym miejscu przypomnieć, że LHC zderza protony, a więc cząstki składające się z dwóch kwarków górnych i jednego dolnego. Chwilowa obecność we wnętrzach protonów kwarków o większych masach, takich jak kwark piękny, jest konsekwencją kwantowego charakteru oddziaływań silnych, wiążących kwarki w protonie.
Wartości przekroju czynnego na produkcję bozonu Higgsa znalezione przez naszą grupę oraz zmierzone w dotychczasowych zderzeniach wiązek w akceleratorze LHC są praktycznie takie same, naturalnie przy
uwzględnieniu obecnych niedokładności obliczeniowych i pomiarowych. Wygląda więc na to, że w obrębie badanych przez nas mechanizmów odpowiedzialnych za powstawanie bozonów Higgsa nie widać zwiastunów nowej fizyki, przynajmniej na razie – podsumowuje dr Poncelet.
Powszechne wśród naukowców przekonanie o konieczności istnienia nowej fizyki wynika z faktu, że za pomocą Modelu Standardowego nie można udzielić odpowiedzi na szereg fundamentalnie ważnych pytań. Dlaczego cząstki elementarne mają takie a nie inne masy? Dlaczego tworzą rodziny? Z czego składa się ciemna materia, której ślady obecności tak wyraźnie widać w kosmosie? Z czego wynika przewaga materii nad antymaterią we Wszechświecie? Model Standardowy wymaga rozszerzenia także dlatego, że w ogóle nie uwzględnia tak powszechnego oddziaływania jak grawitacja.
Co ważne, najnowsze osiągnięcie teoretyków z IFJ PAN, RWTH i MPI nie wyklucza w sposób ostateczny obecności nowej fizyki w zjawiskach towarzyszących narodzinom bozonów Higgsa. Wiele może się bowiem zmienić, gdy analizom zaczną być poddawane dane ze stopniowo się rozpoczynającego, czwartego cyklu badawczego Wielkiego Zderzacza Hadronów. Coraz liczniejsze obserwacje nowych zderzeń cząstek mogą pozwolić tak zawęzić niepewności pomiarowe, że zmierzony przedział dozwolonych wartości przekroju czynnego na produkcję higgsów przestanie się pokrywać z wyznaczonym przez teorię. Czy tak się stanie, fizycy przekonają się za kilka lat. Na razie Model Standardowy może się czuć bezpieczniej niż kiedykolwiek – i fakt ten powoli zaczyna się stawać najbardziej zaskakującym odkryciem dokonanym za pomocą akceleratora LHC.
Wyniki badań międzynarodowego zespołu opublikowano w czasopiśmie Physical Review Letters.
MK, źródło: IFJ PAN