Invisible Higgs Not Seen !

Ένας χρόνος έχει περάσει από την κοινή ανακάλυψη στα πειράματα CMS και ATLAS του Μεγάλου Επιταχυντή Αδρονίων (LHC) στο CERN, ενός σωματιδίου που είναι απολύτως συμβατό με τις προσδοκίες μας για το προβλεπόμενο από το Καθιερωμένο Πρότυπο (ΚΠ) μποζόνιο Higgs. Το σωματίδιο αυτό, που αναζητείτο στους επιταχυντές από την δεκαετία του 70, αποτελεί πλέον πραγματικότητα, και το ενδιαφέρον των επιστημόνων έχει μεταφερθεί τώρα στη λεπτομερή μελέτη των παρατηρούμενων ιδιοτήτων του.

Και υπάρχουν αναρίθμητα ενδιαφέροντα πράγματα για να ερευνήσει κανείς! Ο ενθουσιασμός που υπάρχει είναι απόρροια του γεγονότος πως το καθιερωμένο πρότυπο, η πλέον ακριβής θεωρία των στοιχειωδών σωματιδίων, μας παρέχει σαφείς προβλέψεις για τον τρόπο με τον οποίον το Higgs παράγεται και αποσυντίθεται. Οπότε, εξετάζοντας τις ιδιότητες του Higgs, κατά κάποιον τρόπο, αναζητούμε παράλληλα και νέα φυσικά φαινόμενα κρυμμένα στις πιθανές ανώμαλες ιδιότητες του σωματιδίου αυτού.

Οι διασπάσεις του Higgs κατά το ΚΠ

Μία από τις ουσιώδεις ιδιότητες ενός ασταθούς σωματιδίου είναι ο τρόπος με τον οποίο διασπάται. Το Higgs όντας ένα σωματίδιο που αλληλεπιδρά με όλα τα άλλα στοιχειώδη σωμάτια που έχουν μάζα, διαθέτει ένα εξαιρετικά ποικιλόμορφο και περίπλοκο σχέδιο δυνατών τρόπων διάσπασης. Εδώ υπάρχει μια μικρή λίστα των δυνατών τρόπων αποδόμησης του Higgs κατά το ΚΠ, μαζί με κάποια μικρά σχόλια:

  • H–>ZZ : Αυτός είναι ένας «χρυσός» τρόπος διάσπασης, αυτός που μας προσφέρει τα καθαρότερα πειραματικά αποτυπώματα. Αλλά δεν είναι και ο πιο συχνός: ανά εκατό μποζόνια Ηiggs, μόνο μερικά αποσυντίθενται κατ’ αυτόν τον τρόπο. Και εάν σκεφτείτε πως για να ανασυνθέσεις καθαρά και χωρίς μεγάλο θόρυβο αυτές τις διασπάσεις χρειάζεται και τα δύο μποζόνια Ζ να διασπώνται εν συνεχεία σε ζεύγη ee ή μμ (η πιθανότητα του Z–>ee ή μμ είναι 6%), καταλαβαίνετε, ότι το να πετύχεις μια αλληλουχία διασπάσεων που να οδηγεί στην χρυσή κατάληξη των τεσσάρων λεπτονίων (H->ZZ->eeμμ, για παράδειγμα) είναι ένα κάπως σπάνιο ενδεχόμενο. Το CMS και το ATLAS έχουν πλέον μεγάλα σήματα του Higgs από αυτόν τον τρόπο διάσπασης του.
  • H–>γγ: Αυτή η διαδικασία είναι ακόμη πιο σπάνια από αυτήν που μόλις περιγράψαμε από πάνω. Το Higgs δεν διασπάται κατευθείαν σε φωτόνια, λόγω τις απουσίας μάζας στα προηγούμενα. Ακόμη κι έτσι, όμως, η διαδικασία είναι πραγματοποιήσιμη μέσω κβαντικών βρόχων (quantum loops) που περιλαμβάνουν μποζόνια W ή φερμιόνια (με σημαντική διαδικασία αυτή που περιλαμβάνει τα βαριά top κουάρκ). Ανάμεσα σε 1000 μποζόνια Higgs μόνο μερικά διασπώνται έτσι. Το ATLAS, καθώς και το CMS, έχουν μετρήσει τον ρυθμό παραγωγής του Higgs με αυτόν τον τρόπο, όπως επίσης και τη μάζα του.
  • H–>bb: Η διάσπαση σε ζεύγη από bottom quark είναι η πιο συνηθισμένη, αλλά είναι δύσκολο να αναγνωριστεί σε πειραματικό επίπεδο, επειδή η παραγωγή ζευγών bottom quark απλώς από κβαντικές χρωμοδυναμικές αλληλεπιδράσεις είναι 1 δισεκατομμύριο φορές συχνότερη στον LHC. Παρ’ όλα αυτά, το CMS έχει ήδη παρατηρήσει τέτοιο γεγονός σημαντικότητας 2-σίγμα και ο συνδυασμός των πειραμάτων CDF και DZERO στο Tevatron έχει παράξει ένα γεγονός σημαντικότητας σχεδόν 3 σίγμα. Έτσι, λοιπόν, γνωρίζουμε πως και αυτή η διάσπαση πράγματι συμβαίνει.
  • H–>ττ: Η προτίμηση του Higgs να μετατρέπεται σε σωματίδια με μεγάλες μάζες κάνει τη διάσπαση του σε ζεύγη λεπτονίων tau πολύ πιο συχνή από ότι την αντίστοιχη σε ζεύγη μιονίων ή ηλεκτρονίων. Γι αυτό, η διάσπαση σε ζεύγη tau έχει ήδη παρατηρηθεί με μεγάλη σημαντικότητα, και μετρήσεις του ρυθμού παραγωγής και της μάζας του Higgs έχουν δημοσιευθεί.
  • H–>WW: Αυτή είναι η δεύτερη πιο συχνή διαδικασία διάσπασης, αλλά τα μποζόνια W μπορούν να βρεθούν καθαρά μόνο όταν διασπώνται σε ζεύγος λεπτονίου-νετρίνου, οπότε και έχεις να κάνεις με δύο νετρίνα στην τελική κατάσταση, κάτι το οποίο εμποδίζει την παρατήρηση μιας κορυφής στην αναλλοίωτη μάζα των προϊόντων της διάσπασης. Έστω και έτσι, τα δεδομένα που έχουν συλλεχθεί έως τώρα μας επιτρέπουν μια ακριβή μέτρηση του ρυθμού παραγωγής.
  • Υπάρχουν και αρκετές ακόμη διαδικασίες αποσύνθεσης, όλες προβλεπόμενες λεπτομερώς από το ΚΠ, αλλά δυσκολότερο να αποτυπωθούν πειραματικά. Ονομαστικά μερικές: η H->Zγ, η H->μμ, η H->cc, κτλ.

Μια εικόνα που δείχνει τα διάφορα branching fractions του Higgs, σαν συνάρτηση της μάζας του μποζονίου, φαίνεται παρακάτω. Σημειώστε πως πλέον γνωρίζουμε ότι η μάζα του Higgs είναι 125.5 GeV (με σφάλμα περίπου μισό GeV), και αυτό σημαίνει πως κάποιοι τρόποι διάσπασης είναι πρακτικά αδύνατον να συμβούν (π.χ η διάσπαση σε δύο top quarks, τα οποία συνολικά ζυγίζουν 350 GeV-υπερβολικά πολύ για να αποδεχθείς πως θα δημιουργηθούν, όντας heavily off-mass-shell). Επιπλέον, αυτό συνεπάγεται ότι κάποιοι τρόποι διάσπασης είναι κατ’ αρχήν ανιχνεύσιμοι (η H->Zγ, για παράδειγμα, θα ήταν πειραματικά πολύ δύσκολη εφόσον το Higgs ήταν, ας πούμε, στα 180 GeV).

Νέα έρευνα για αόρατα μποζόνια Higgs

Έτσι λοιπόν, μετά την παραπάνω εισαγωγή, μπορώ πλέον να αναφερθώ στην πρόσφατα δημοσιευμένη έρευνα από το CMS για τα αόρατα μποζόνια Higgs. Τι σημαίνει όμως αόρατο; Σημαίνει πως μπορούμε να φανταστούμε την πιθανότητα, σε κάποια επέκταση του ΚΠ, ένα σημαντικό μέρος των παραγόμενων Higgs να διασπάται σε αόρατα σωματίδια. Ένα αόρατο σωματίδιο είναι απλά ένα σωμάτιο που δεν αλληλεπιδρά, ή που το κάνει αυτό πολύ ισχνά, με τη συνηθισμένη ύλη. Τα νετρίνα είναι ένα λαμπρό παράδειγμα σωματιδίων που γνωρίζουμε ότι υπάρχουν και συμπεριφέρονται κατ’ αυτόν τον τρόπο: για παράδειγμα, τα μποζόνια W γνωρίζουμε πως διασπώνται 2 στις 9 φορές σε ζεύγη νετρίνων του ηλεκτρονίου ή του μιονίου και μπορούμε να ανασυνθέσουμε επακριβώς αυτές τις διασπάσεις, αν και δεν γίνεται να ανιχνεύσουμε τα νετρίνα στους ανιχνευτές που διαθέτουμε. Το καταφέρνουμε αυτό μετρώντας «μέσω αφαίρεσης» το έλλειμμα ορμής, που παίρνουν μαζί τους τα νετρίνα. Επιτρέψτε μου να το εξηγήσω λίγο αυτό.

Φανταστείτε πως παίζετε μπιλιάρδο με κάποιον φίλο σας και ρίχνετε ταυτόχρονα δύο μπάλες, ο καθένας ευθύβολα πάνω στον άλλο, από απέναντι πλευρές του τραπεζιού. Οι δύο μπάλες κινούνται ευθύγραμμα και συγκρούονται στο κέντρο του τραπεζιού. Είναι πολύ δύσκολο να προβλέψεις την πορεία που θα ακολουθήσουν μετά τη σύγκρουση οι μπάλες, αφού αυτό εξαρτάται από το σπιν τους, τις σχετικές τους ταχύτητες, τον παράγοντα σύγκρουσης (impact parameter) (αυτό είναι το πόσο ευθυγραμμισμένες είναι οι τροχιές τους). Αυτό που δεν θα περίμενες όμως να δεις, είναι και οι δύο τροχιές να πηγαίνουν μετά το σημείο της σύγκρουσης προς τα δεξιά ή προς τα αριστερά. Θα ήταν σαν να εκτρέπονταν από κάτι το αόρατο.

Ο νόμος της διατήρησης της ορμής στην περίπτωση που αναλύουμε περιγράφει το φαινόμενο της απουσίας κάποιας συνολικής δύναμης που να δρα πάνω στις μπάλες σε κατεύθυνση κάθετη προς την αρχική τους διεύθυνση: εάν κάποια από τις μπάλες πάρει ώθηση προς τα δεξιά μέσω της σύγκρουσης η άλλη θα πρέπει να αισθανθεί μια ίση δύναμη να την σπρώχνει προς τα αριστερά. Σε καμία περίπτωση δεν θα γινόταν και οι δύο μπάλες να κατευθυνθούν προς τη μία πλευρά, καθώς δεν υπάρχει κάποιο τέτοιου είδους αίτιο στο σύστημα για να κάνει αυτήν τη δουλειά: το τραπέζι είναι αδρανές- απλώς «υποστηρίζει» τις μπάλες ενάντια στην δύναμη της βαρύτητας.

Εφόσον αυτό έγινε κατανοητό, θα ήσασταν το ίδιο έκπληκτοι τώρα εάν σας έδειχνα μια σύγκρουση σωματιδίων όπου δύο πρωτόνια κινούνται ευθύγραμμα το ένα προς το άλλο, με την ταχύτητα του φωτός, και τα κατάλοιπα της σύγκρουσής τους να φαίνεται να έχουν μια συνολική ροή κάθετη στις αρχικές δέσμες. Υπάρχει μόνο μια εξήγηση για αυτό το φαινόμενο: κάτι το αθέατο εκλύεται σε αντίθετη κατεύθυνση στο εγκάρσιο επίπεδο, τέτοιο ώστε το διάνυσμα της ορμής του να ισορροπεί το άθροισμα των προηγούμενων.

Αυτή η γενική ιδέα χρησιμοποιείται συνεχώς σε συγκρούσεις αδρονίων για να μετρήσουμε την ορμή των νετρίνο που εκλύονται κατά τη διάσπαση του W σε ζεύγος λεπτονίου και νετρίνου. Σημειώστε πως δεν μπορείς να συμπεράνεις κάτι για τη συνιστώσα της ορμής σε κατεύθυνση παράλληλη με αυτήν των αρχικών δεσμών, διότι δεν γνωρίζουμε την διαμήκη (longitudinal) ορμή των κουάρκ κατά το αρχικό στάδιο. Μόνο το γεγονός πως έχουν εγκάρσια ορμή πολύ κοντά στο 0 είναι γνωστό.

Το CMS έψαξε για αόρατα μποζόνια Higgs χρησιμοποιώντας την προβλεπόμενη τοπολογία γεγονότων που παράγουν το Higgs μαζί με δύο ενεργητικούς προς τα εμπρός πίδακες αδρονίων (energetic forward hadronic jets). Τέτοια φαινόμενα συμβαίνουν στον λεγόμενο μηχανισμό «vector-boson fusion» : κουάρκς από τα αρχικά πρωτόνια «εκπέμπουν» μποζόνια W ή Z τα οποία ενώνονται για να δημιουργήσουν ένα Higgs. Τα quarks έπειτα από την εκπομπή μποζονίων εκτρέπονται προς την κάθετη κατεύθυνση, δημιουργώντας δύο ενεργητικά jets με κατά βάση μικρή κλίση σε σχέση την κατεύθυνση των δεσμών.

Βέβαια δεν περιμένουμε να παρατηρήσουμε ένα σήμα από Higgs στα πλαίσια του ΚΠ: το Higgs πρέπει να έχει μία πραγματικά πολύ μικρή σύζευξη (coupling) με τα νετρίνα, τέτοια ώστε η διάσπαση H–>νν να είναι απολύτως αδύνατον να παρατηρηθεί. Παρόλα αυτά, μόνο ένα βαρύ σωμάτιο με ασθενείς αλληλεπιδράσεις θα μπορούσε να συζεύγνυται με το Higgs σημαντικά, και τότε θα μπορούσαμε να δούμε αυτήν τη διαδικασία παρατηρώντας μια περίσσεια γεγονότων με δύο διαμήκη ενεργητικά ρεύματα και ένα σημαντικό ποσοστό ελλείμματος στην εγκάρσια ενέργεια πάνω από τον γνωστό θόρυβο.

Αφότου απορρίψουμε τα γεγονότα που δεν έχουν συνεχόμενα ρεύματα αδρονίων, ο κυρίαρχος θόρυβος παράγεται από πραγματικές πηγές ελλείμματος εγκάρσιας ενέργειας: αυτές είναι τα νετρίνα. Το μποζόνιο Ζ μπορεί να διασπαστεί σε δύο νετρίνα (αυτό συμβαίνει σε ποσοστό 20%) και να παραχθούν μαζί με ενεργητικούς πίδακες, οπότε αυτή η διαδικασία θα πρέπει να εξεταστεί λεπτομερώς. Ευτυχώς, μπορούμε να την ξεχωρίσουμε κοιτάζοντας στις διασπάσεις Z->ee και Z->μμ που συγκεντρώνουμε στα δεδομένα μας, οι οποίες παρουσιάζουν την ίδια κινηματική. Αντιμετωπίζοντας την κατάσταση σαν να μην μετρήσαμε τα λεπτόνια σε αυτά τα γεγονότα, έχουμε ένα ακριβές μοντέλο της ελλείπουσας εγκάρσιας ενέργειας που παράγουν τα αντίστοιχα γεγονότα Z->νν + jets.

Ένας άλλος θόρυβος προέρχεται από την παραγωγή μποζονίων W όταν αυτά αποσυντίθενται δίνοντας λεπτόνια, χωρίς αυτά (δηλαδή τα e, μ, ή τ) να ανιχνεύονται. Αυτός ο θόρυβος μπορεί να εξεταστεί επαρκώς από τα δεδομένα των γεγονότων που το λεπτόνιο έχει παρατηρηθεί όπως θα έπρεπε.

Στο τέλος, η έρευνα δεν βρίσκει επαρκή δεδομένα για διασπάσεις αοράτων Higgs. Η «κρίσιμη» γραφική παράσταση φαίνεται παραπάνω: είναι η κατανομή του ελλείμματος της εγκάρσιας ενέργειας, όπου τα δεδομένα (μαύρα σημεία) και το υπόβαθρο/θόρυβος (η συνολική στοίβα των γεμάτων ιστογραμμάτων) είναι σε συμφωνία, ενώ μια σημαντική συμβολή από αποσυνθέσεις αοράτων Higgs (το επιπλέον κενό ιστόγραμμα με κόκκινο) θα είχε μετατοπίσει τα δεδομένα προς τα πάνω. Χρησιμοποιώντας αυτό, μπορεί να οριστεί ένα ανώτατο φράγμα στο branching fraction, υποθέτοντας πως η παραγωγή γίνεται στον βαθμό που προβλέπει το ΚΠ. Το αποτέλεσμα είναι πως το «αόρατο» branching fraction είναι μικρότερο από 69% σε επίπεδο εμπιστοσύνης 95%.

Σαν συμπέρασμα, το Higgs παρατηρείται εκεί που θα έπρεπε να το βρει κανείς -σε ζεύγη WW , ΖΖ, λεπτονίων tau, φωτονίων και b-quarks- και δεν παρατηρείται κανένας άλλος τρόπος διάσπασής του, όπου δεν θα έπρεπε να τον δούμε σύμφωνα με τις έως τώρα γνώσεις μας γύρω από την υποατομική φυσική. Μία διάσπαση με μεγάλο branching fraction σε ζεύγος neutralinos, για παράδειγμα, θα είχε παρατηρηθεί από την ανάλυση που εκτέθηκε εδώ.

Για περισσότερες λεπτομέρειες αυτού του ωραίου νέου αποτελέσματος του CMS διαβάστε αυτή τη δημοσίευση !

Αρχικό άρθρο:
http://www.science20.com/quantum_diaries_survivor/invisible_higgs_not_seen-119733
4 Σεπτεμβρίου 2013

About qdsgreek

Greek version of "A Quantum Diaries Survivor" blog
This entry was posted in Θεωρία, LHC and tagged , . Bookmark the permalink.

2 απαντήσεις στο Invisible Higgs Not Seen !

  1. Ο/Η Tommaso λέει:

    Ευχαριστώ για τι μετάφραση!!
    Τ.

    Μου αρέσει!

  2. Ο/Η Δημ. Λένης λέει:

    Ωραίο άρθρο, ενδιαφέρουσα όμως και η προσπάθεια. Με την έλλειψη ορολογίας στα ελληνικά (και γενικά σε άλλες εκτός από τα αγγλικά γλώσσες) να δούμε τι θα κάνουμε…

    Μου αρέσει!

Σχολιάστε

Εισάγετε τα παρακάτω στοιχεία ή επιλέξτε ένα εικονίδιο για να συνδεθείτε:

Λογότυπο WordPress.com

Σχολιάζετε χρησιμοποιώντας τον λογαριασμό WordPress.com. Αποσύνδεση / Αλλαγή )

Φωτογραφία Twitter

Σχολιάζετε χρησιμοποιώντας τον λογαριασμό Twitter. Αποσύνδεση / Αλλαγή )

Φωτογραφία Facebook

Σχολιάζετε χρησιμοποιώντας τον λογαριασμό Facebook. Αποσύνδεση / Αλλαγή )

Φωτογραφία Google+

Σχολιάζετε χρησιμοποιώντας τον λογαριασμό Google+. Αποσύνδεση / Αλλαγή )

Σύνδεση με %s