Higgsov bozón
Táto krátka kapitola sa pokúša pomôcť vám trochu preniknúť do hľadania tejto novej častice v LHC a do nedávno oznámených výsledkov.


Medzi novými časticami, ktoré sa na experimentoch na LHC hľadajú, je Higgsov bozón asi najslávnejší. Jeho objav môže prispieť ku konečnému potvrdeniu teórie, ktorá vznikla v 60. rokoch 20. storočia na popis mechanizmu, ktorým získavajú častice štandardného modelu hmotnosť. Podľa teoretických predstáv mali tesne po veľkom tresku všetky častice nulovú hmotnosť. Krátko nato, trilióntinu sekundy po veľkom tresku, sa v celom našom vesmíre rozprestrelo zvláštne médium, které nazývame Higgsovo pole. Od tej chvíle majú častice nenulovú hmotnosť. Celý mechanizmus si môžeme predstaviť tak, že toto médium interaguje s časticami (s rôznymi druhmi rôzne silno), čím im efektívne pri pohybe kladie odpor. Na ich urýchlenie vo vnútri média je potom potrebná sila, čo znamená, že získali hmotnosť. Elementárne častice sa v súčasnej fyzike popisujú jazykom tzv. kvantových polí (každá častica má svoje pole), teda aj s Higgsovým poľom je spojená častica - práve náš Higgsov bozón. Má značnú hmotnosť a krátku dobu života - rýchlo sa rozpadá na iné častice. Môžeme ho teda pozorovať jedine prostredníctvom jeho rozpadových produktov. Na ktoré častice sa Higgsov bozón prednostne rozpadne, závisí do veľkej miery na jeho hmotnosti. Tú však doposiaľ nepoznáme. To je dôvod, prečo fyzici hľadajú rôzne signály, ktoré prislúchajú všetkým možným rozpadom Higgsa (tzv. rozpadovým kanálom). V diagrame dole, ktorý je založený na teoretických výpočtoch a obsahuje nedávne experimentálne výsledky z ATLASu a CMS, sú ukázané pomery (os y) najvýznamnejších rozpadových procesov Higgsovej cčstice. Nadôvažok, vo vnútri diagramu môžete vidieť vytienované oblasti. Tieto oblasti teoreticky možných hmotností Higgsa boli nedávno vylúčené buď po analýzach z ATLASu a CMS na LHC (s 95% dôveryhodnosťou), alebo boli vylúčené predchodcom LHC, experimentom LEP, pred 10 rokmi. Rovnako je tu vidieť vplyv hmotnosti Higgsa (os x) na jeho rozpadové pomery.



Venujte pozornosť modrej čiarkovanej čiare (označenej WW). Pretože je nemožné odhaliť Higgsovu časticu pozorovaním nárastu eventov s pármi b kvarkov a anti-b kvarkov (kvôli obrovskému pozadiu), táto čiara nám hovorí: rozpad Higgsovej častice na dve W častice je najpreukázateľnejším rozpadovým módom v celom rozsahu stále prípustných hmotností. Pretože Higgsova častica je elektricky neutrálna, tieto dve W častice musia mať opačné elektrické náboje.

Tu narážame na problém: ak sa nejaká Higgsova častica rozpadne na dva W bozóny, bude to vyzerať ako vytvorenie dvoch opačne nabitých W bozónov. Tento proces je dovolený Štandardným modelom a nemá nič spoločné s rozpadom Higgsa (viď pravý Feynmanov diagram dole). Je to dokonca horšie: vytvorenie dvoch W bozónov bez účasti Higgsa je omnoho frekventovanejšie (v závislosti od hmotnosti 4-10-krát). Ale ako potom môžeme rozlíšiť tieto dva procesy? Nuž, len tým, že sa pozriete na zobrazenie eventov, sa to nedá. Ale s pomocou ďalších fyzikálnych veličín (ktoré sa musíte naučit, aby ste rozumeli tomu, ako to funguje) vieme lepšie rozlíšiť medzi týmito procesmi. Časticoví fyzici volajú tento proces zvyšovaním pomeru signálu voči pozadiu.

Chceme sa špecializovať na hľadanie Higgsa vo WW rozpadovom móde. Obe W častice sa rozpadajú nezávisle od seba podľa zákonov Štandardného modelu. Jedna W častica sa môže rozpadnúť buď na pár kvark a anti-kvark alebo na pár leptón a anti-leptón. Chceme sa pozrieť na rozpadový mód, v ktorom sa obe W častice rozpadajú na pár leptón a anti-leptón, vylúčiac taóny kvôli ich komplikovanej identifikácii. Fyzici volajú tento rozpadový mód H→WW→lνlν alebo kratšie WW→lνlν, kde l je elektrón, mión, pozitrón alebo anti-mión.

Aby sme zvýšili pomer signálu voči pozadiu vo vybranom rozpade, sústredíme sa na uhol medzi našimi dvomi detekovateľnými leptónmi v rovine kolmej na urýchľovaciu trubicu. Tento uhol sa volá otvárací uhol. Keď zoberieme do úvahy spinové vzťahy vyprodukovaných častíc, očakávame, že Higgsove eventy nájdeme najmä pri uhloch menších ako 90 stupňov, zatiaľčo WW eventy Štandardného modelu sa objavujú v celom intervale uhlov, pričom preferujú uhly väčšie ako 90 stupňov. Toto sa dá veľmi dobre ukázať v histogramoch.

signálu voci pozadiu

Tu sú dva ďalšie Feynmanove diagramy, ktoré ukazujú produkciu a rozpad Higgsovej častice, ako aj jeden event pozadia (v tomto prípade produkciu ťažkého top kvarkového páru).





WW bozónmi
  • Tu sa naučíte, ako identifikovať eventy s dvoma W bozónmi.
  • Najskôr sa pozrite na hodnotu chýbajúcej priečnej hybnosti (MET, missing ET). Ak je táto hodnota väčšia ako 25 GeV, mali by ste sa na danú zrážku pozrieť bližšie. V našom príklade je hodnota MET 52 GeV. Taktiež vyzerá, že sa tu nevyskytujú žiadne jety (spršky častíc). Výborne. Pokračujte. Teraz sa odporúča zvoliť si len také dráhy častíc, ktoré môžeme priradiť k elektricky nabitému leptónu s veľkou hodnotou priečnej hybnosti. Pozrite sa na nasledujúci obrázok, ako to funguje
  • Takto vyzerá zrážka po tom, ako sme na nu aplikovali obmedzenie na hodnotu priečnej hybnosti (pt cut). Znázornené sú len tie dráhy častíc, ktoré majú priečnu hybnost väčšiu ako 20 GeV. Zostali nám len dve dráhy. Super. Tie môžeme prideliť buď elektrónu alebo pozitrónu a miónu alebo antimiónu v danom poradí. Poďme zistiť, ktoré sú to leptóny, a či náš event spĺňa kritériá na rozpad dvoch W bozónov. Toto uvidíme v nasledujúcom obrázku. Poznámka: V prípade, že nájdete dva leptóny z rovnakej generácie (napr. elektrón a pozitrón), ešte raz skontrolujte chýbajúcu priečnu hybnosť. Táto hodnota musí byť väčšia ako 40 GeV. Ak nie je splnená táto podmienka, takýto event považujete za pozadie.
  • Na jednej strane vidíme jeden elektrón prechádzajúci cez detektor s priečnou hybnosťou 53 GeV (pohľad na podstavu detektora, informácie o hodnotách priečnej hybnosti v tabuľke v pravom hornom rohu). To je dosť. Na druhej strane vidíme antimión s priečnou hybnosťou 27 GeV. Teda sme našli dva opačne nabité leptóny, ktoré spĺňajú naše kritéria na hodnotu priečnej hybnosti. Aby sme si boli istí, že v tomto evente boli vytvorené aj dva neutrína, stačí 25 Gev chýbajúcej priečnej hybnosti. V skutočnosti je to trochu viac (52 GeV). Tento event nazveme WW kandidát. Aby sme získali lepšie informácie o pôvode tohto eventu, zmeriame uhol medzi dvoma detegovanými leptónmi (elektrón a antimión) v rovine kolmej na urýchľovaciu trubicu (toto môžeme spraviť tak, že zatlačíme “P” na klávesnici a označíme dané dve dráhy). Výsledok je 114,2 stupňov.


A teraz môžete hľadať túto časticu – poďme k meraniu!