Το Πλάτος του Higgs

Στο paper που δημοσιεύθηκε πριν λίγες μέρες στο Cornell Arxiv, οι Campbell, Ellis και Williams μελετούν το πως τα πειράματα στον LHC μπορούν να δώσουν πληροφορίες για το πλάτος του σωματιδίου Higgs, ερευνώντας γεγονότα τεσσάρων λεπτονίων (four-lepton events) με μάζες πολύ πάνω από την περιοχή των 126 GeV, όπου και συγκροτούνται όταν δημιουργούνται από διάσπαση μποζονίου Higgs. Εδώ θα ήθελα να δείξω το γράφημα, το οποίο αποτελεί και την πηγή της όλης ιδέας και θα αναφερθώ στα γενικά συμπεράσματα που βγάζουν οι θεωρητικοί φυσικοί σχετικά με την ακρίβεια που μπορεί να εξασφαλιστεί για την τιμή αυτής της παραμέτρου από το ATLAS και το CMS.

Αλλά, πρώτα απ’ όλα επιτρέψτε μου να εξηγήσω σε αυτούς που δεν έχουν ιδιαίτερη επαφή με το αντικείμενο, τι είναι το πλάτος του μποζονίου Higgs. Προκειμένου να το κάνω αυτό θα χρειαστεί, βέβαια, μία σύντομη παρέκκλιση από το κύριο θέμα.

Τα στοιχειώδη σωμάτια χαρακτηρίζονται από πολλές παραμέτρους οι οποίες και καθορίζουν τη συμπεριφορά τους. Κάποιες από αυτές, όπως το spin, είναι ίδιες για όλα όσα παράγουμε: το spin του Higgs είναι μηδέν, και είναι το ίδιο για όλα τα Higgs που παρατηρούμε. Η μάζα, από την άλλη, είναι διαφορετική στο καθένα από αυτά. Και αυτό είναι απόρροια του πολύ μικρού χρόνου ζωής τους: όπως μία χαμηλότονη χορδή που τίθεται σε ταλάντωση για ένα χρονικό διάστημα τόσο μικρό που να μην μπορούμε να καθορίσουμε ακριβώς τον τόνο της, έτσι και ένα σωματίδιο που ζει πολύ λίγο συνδέεται με μία αβεβαιότητα στην μάζα του. Έτσι, εάν είχαμε μία συσκευή μέτρησης άπειρης ακρίβειας και κατασκευάζαμε το ιστόγραμμα της παρατηρούμενης μάζας ενός μεγάλου αριθμού μποζονίων Higgs, θα βλέπαμε πως αυτό θα είχε το χαρακτηριστικό σχήμα συντονισμού (resonance shape), ένα Breit-Wigner (ή αλλιώς Lorenzian) σχήμα: μία δομή με την χαρακτηριστική κορυφή, η οποία (κορυφή) και θα αντιστοιχούσε σε αυτό που αποκαλούμε μάζα του σωματιδίου, με μεγάλες «ουρές» να εκτείνονται επ’ αόριστον δεξιά και αριστερά της.

Λόγω του Λορεντζιανού σχήματος του συντονισμού, μπορούμε μερικές φορές να παρατηρήσουμε σωματίδια με μάζες λίγο διαφορετικές από την κανονική τιμή. Σε μερικές περιπτώσεις η μελέτη της προκύπτουσας κατανομής των μαζών μπορεί να μας επιτρέψει να μετρήσουμε με άμεσο τρόπο το εγγενές πλάτος της καμπύλης συντονισμού: αυτή είναι ακόμη μία θεμελιώδης παράμετρος του σωματιδίου, η οποία μάλιστα είναι ικανή να καθορίσει και τη φύση του. Για το Higgs, μία ακριβής μέτρηση του πλάτους θα μας έδινε τη δυνατότητα να διαχωρίσουμε διαφορετικά μοντέλα νέας φυσικής. Νέες φυσικές θεωρίες διαφοροποιούν το πλάτος λόγω της δυνατότητας του Higgs να διασπαστεί σε κάποιο υποθετικό νέο σωματίδιο, κάνοντας έτσι τη διάρκεια ζωής του μικρότερη και το πλάτος του συνεπώς μεγαλύτερο (ο χρόνος ζωής και το πλάτος είναι αντιστρόφως ανάλογα).
Το πρόβλημα με το Higgs είναι ότι ο χρόνος ζωής του, αν και απίστευτα μικρός σε απόλυτα μεγέθη, είναι κάπως μεγάλος σε σύγκριση με αυτόν άλλων σωματιδίων με παρόμοιες μάζες: το τοπ κουάρκ, για παράδειγμα, είναι 40% βαρύτερο και έχει μία πολύ μικρότερη διάρκεια ζωής, και ως αποτέλεσμα ένα πολύ μεγαλύτερο φυσικό πλάτος (1.5 GeV); το μποζόνιο Z, το οποίο είναι αντίθετα 30% ελαφρύτερο, έχει πλάτος στα 2.5 GeV (και είναι έτσι το σωματίδιο με τον μικρότερο χρόνο ζωής που ξέρουμε). Το μποζόνιο Higgs έχει πλάτος μόλις στα 4 MeV πάνω κάτω. Η μέτρηση ενός τόσο μικρού πλάτους είναι αδύνατον να πραγματοποιηθεί με άμεσο τρόπο, διότι η πειραματική αβεβαιότητα στην παρατηρούμενη μάζα ηρεμίας, για παράδειγμα, των δύο φωτονίων που παράγονται από την διάσπαση μποζονίου Higgs, ή των τεσσάρων φορτισμένων λεπτονίων από την αλυσιδωτή διάσπαση H->ZZ->4l, είναι τρεις τάξεις μεγέθους μεγαλύτερη. Είναι σαν να προσπαθείς να μετρήσεις το βάρος ενός μυρμηγκιού χρησιμοποιώντας την κλίμακα βάρους του ανθρώπινου σώματος στο όργανο μέτρησης.

Υπάρχουν, όμως, τρόποι για να επιλυθεί το πρόβλημα. Ο κβαντικός κόσμος είναι κάπως πιο περίπλοκος από ότι μπορούμε συχνά να περιγράψουμε με απλούς όρους, και για να είμαστε ακριβείς όταν είπα προηγουμένως πως η κατανομή μάζας των μποζονίων Higgs είναι Λορεντζιανή, κυριολεκτικά, έλεγα ψέματα. Οι θεωρητικοί εξέτασαν φαινόμενα συμβολής (interference effects) και άλλους πολύπλοκους μηχανισμούς και κατέληξαν σε ένα σχήμα πολύ πιο πλούσιο στα χαρακτηριστικά του από ένα απλό σχήμα συντονισμού, όπως βλέπετε από κάτω.

Η Higgs-induced four-lepton κατανομή μάζας φαίνεται με το κόκκινο χρώμα, και συγκρίνεται με τα κυρίαρχα υπόβαθρα (με μπλε, καφέ, και μωβ χρώμα). Όπως μπορείτε να δείτε αυτή η οξυμένη δομή στα 126 GeV συνοδεύεται από μια παράξενη ουρά στην περιοχή των υψηλότερων μαζών, η οποία παίρνει αυτό το σχήμα λόγω του «ξεκλειδώματος» της διάσπασης σε ζεύγη αληθινών (real) μποζονίων Ζ (στα 182 GeV) και της αύξησης στην ενεργό διατομή των εικονικών μποζονίων Higgs από την παρέμβαση αρχικών καταστάσεων που περιλαμβάνουν ζεύγη τοπ κουάρκ (στα 350 GeV).

H προσδοκία πως μία μέτρηση κάποιων ανιχνεύσιμων χαρακτηριστικών του περίπλοκου κόκκινου σχήματος στο παραπάνω γράφημα θα μπορούσε να βοηθήσει ώστε να εξάγουμε άμεσα συμπεράσματα για την τιμή του πλάτους του Higgs είναι κατανοητή. Η λειτουργία του LHC το 2015 θα παρέχει στα ATLAS και CMS συγκρούσεις 13 και έπειτα 14 TeV, και μία πολύ μεγαλύτερη integrated luminosity. Αυτό θα σημαίνει περισσότερα γεγονότα που περιλαμβάνουν μποζόνια Higgs, και ενδεχομένως κάποια αυστηρά άνω όρια για το πλάτος του Ηiggs, το οποίο θα μας δώσει περισσότερες πληροφορίες για τη φύση αυτού του καταραμένου σωματιδίου. Αλλά και από τα δεδομένα που έχουν συλλεχθεί έως τώρα, η διαδικασία φαίνεται να είναι πραγματοποιήσιμη. Το αποτέλεσμα που βγάζουμε είναι πως το πλάτος δεν μπορεί να είναι μεγαλύτερο από μερικές δεκάδες φορές αυτού που προβλέπει το Καθιερωμένο Πρότυπο. Αυτό δεν μας δίνει και πολλές πληροφορίες, αλλά τουλάχιστον είναι ένα πρώτο βήμα σε αυτό το δύσβατο πεδίο της έρευνας.

Σημείωση: Το σημείο στο πρώτο paper που μιλά για το περίεργο σχήμα της κατανομής και τις συνέπειες του ανήκει σε ένα paper των G.Passarino και N.Kauer.

Αρχικό Άρθρο:
http://www.science20.com/quantum_diaries_survivor/plot_week_higgs_width-124625
18/11/2013

About qdsgreek

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

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