Ένα ακριβές όριο για το πλάτος του μποζονίου Higgs

Με μάζα στα 125 GeV, το μποζόνιο Higgs είναι ένα πολύ βαρύ σωματίδιο. Ωστόσο, το φυσικό του πλάτος προβλέπεται στο Καθιερωμένο Πρότυπο (ΚΠ) να είναι μόλις 4.15 MeV, μία τιμή πολύ μικρότερη από την αντίστοιχη άλλων σωματιδίων με παραπλήσιες μάζες. Το τοπ κουάρκ, για παράδειγμα, έχει πλάτος 1.5 GeV και το μποζόνιο Z 2.5 GeV, δηλαδή πλάτη τρεις τάξεις μεγέθους μεγαλύτερα.

Το φυσικό πλάτος- το πλάτος της χαρακτηριστικής κορύφωσης σε σχήμα συντονισμού στη μάζα ηρεμίας του σωματιδίου- είναι ένα θεμελιώδες γνώρισμα των στοιχειωδών σωματιδίων, και κατά πολλούς σημαντικότερο ακόμη και από την ίδια τη μάζα του σωματιδίου. Πράγματι, το πλάτος καθορίζει τον χρόνο ζωής του σωματιδίου: σωμάτια που ζουν περισσότερο έχουν μικρότερο πλάτος και αυτό διότι έχουν περισσότερο χρόνο να «εγκατασταθούν» στη μάζα ηρεμίας τους. Στην περίπτωση του Higgs, εάν βρίσκαμε πως το πλάτος του είναι σημαντικά μεγαλύτερο από το προβλεπόμενο, θα καταλαβαίναμε αμέσως πως υπάρχουν πιθανοί τρόποι διάσπασης (decay modes) για τους οποίους δεν έχουμε κανένα στοιχείο μέχρι τώρα: θα ήταν μία καθαρή ένδειξη ύπαρξης νέων φυσικών διεργασιών. Η παρουσία τέτοιων πρόσθετων τρόπων για να διασπαστεί το σωμάτιο κάνει σίγουρα τον χρόνο ζωής μικρότερο, και συνεπώς το πλάτος μεγαλύτερο.

Τα 4.15 MeV είναι πραγματικά ένας μικρός αριθμός αν τον συγκρίνει κανείς με την πειραματική ακρίβεια στην μάζα των σωματιδίων που μπορούμε να πετύχουμε με τα πειράματα CMS και ATLAS. Επομένως, δεν υπάρχει περίπτωση να μετρήσουμε αυτήν την παράμετρο απευθείας: κάθε κατανομή μάζας για το Higgs  που θα προσδιοριστεί πειραματικά από τα δεδομένα του LHC θα έχει ένα παρατηρούμενο πλάτος πολύ μεγαλύτερο από το αντίστοιχο φυσικό. Παρόλα αυτά, θα μπορούσαμε να μετρήσουμε το φυσικό πλάτος του Higgs εμμέσως, κοιτάζοντας στα very off-shell μποζόνια Higgs.

Πράγματι, πολλοί θεωρητικοί φυσικοί έχουν επισημάνει πως οι περίεργες διαδικασίες που δίνουν μποζόνια Ηiggs στον LHC, τροποποιούν σημαντικά το παρατηρούμενο lineshape του μποζονίου Higgs. Με άλλα λόγια, αυτό που μπορούμε να ανιχνεύσουμε μέσα από ένα ιστόγραμμα μάζας του Higgs στον LHC είναι η συνέλιξη (convolution) του Λορενζιανού σχήματος – μία κορύφωση με πλάτος ίσο με το φυσικό πλάτος του Higgs και κέντρο την κεντρική τιμή της μάζας του Higgs – με την ενεργό διατομή της παραγωγής, η οποία ενισχύεται στην περιοχή των υψηλών μαζών λόγω της ισχυρής σύζευξης (coupling) του μποζονίου Higgs με το βαρύ τοπ κουάρκ. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα, αντί να βλέπουμε την κατανομή μάζας από το σήμα να «πεθαίνει» γρήγορα στις μεγάλες μάζες, αυτή θα έχει μία σημαντική αύξηση στην περιοχή των πολύ υψηλών μαζών.

Φαίνεται παράξενο το ότι ένα μποζόνιο Higgs με μάζα στα 125 GeV μπορεί να δώσει ένα σημαντικό σήμα σε μάζες στα 300 GeV ή και παραπάνω, αλλά αυτό είναι ακριβώς ό,τι συμβαίνει. Αυτό όμως που είναι και το πιο ενδιαφέρον, είναι πως η ισχύς του σήματος εξαρτάται έντονα από το φυσικό πλάτος του Higgs. Δείτε για παράδειγμα την εικόνα παρακάτω, όπου φαίνεται η ανακατασκευασμένη μάζα των ζευγών ΖΖ από το CMS. Ένα μποζόνιο Higgs με πλάτος 25 φορές αυτό που προβλέπει το ΚΠ (το οποίο σημαίνει πλάτος λίγο πάνω από τα 100 MeV) θα είχε ως αποτέλεσμα μία πολύ σημαντική ενίσχυση!


Στην εικόνα από πάνω, η four-lepton mass distribution από τα δεδομένα που συνέλεξε το CMS στις συγκρούσεις πρωτονίου-πρωτονίου 8-TeV του 2012, συγκρίνεται με το υπόβαθρο ΖΖ (μπλε), με την πρόβλεψη του ΚΠ (μπεζ) και με την αναμενόμενη κατανομή για Higgs με φυσικό πλάτος 25 φορές μεγαλύτερο της πρόβλεψης του ΚΠ (διακεκομμένο ιστόγραμμα).

Εξετάζοντας την τελική κατάσταση τεσσάρων λεπτονίων για τα γεγονότα ΖΖ, καθώς και την τελική κατάσταση δύο φορτισμένων λεπτονίων + δύο νετρίνων, το CMS έχει καταφέρει να καθορίσει ένα ανώτατο όριο για το πλάτος του Higgs στα 4.2 φορές της τιμής του Καθιερωμένου Προτύπου, σε επίπεδο εμπιστοσύνης 95%. Αυτό ήδη έχει συνέπειες για διάφορα μοντέλα που θα μπορούσαν να προβλέψουν πολύ μεγαλύτερα πλάτη, υποθέτοντας την ύπαρξη κάποιων άγνωστων έως τώρα διασπάσεων. Σημειώστε πως αποτελέσματα εξάγονται για δύο περιπτώσεις: υπό την υπόθεση πως ο καθολικός ρυθμός παραγωγής (global production rate) είναι αυτός που προβλέπει το ΚΠ και υπό καμία υπόθεση πάνω σε αυτόν τον ρυθμό. Μία μεγαλύτερη καθολική παραγωγή θα είχε ως αποτέλεσμα ενίσχυση στις «ουρές» της κατανομής, αλλά ρυθμοί παραγωγής πολύ μεγαλύτεροι από αυτό που προβλέπει το ΚΠ απορρίπτονται κοιτάζοντας την κορυφή στα 125 GeV. Το όριο του x4.2 έχει εξαχθεί χωρίς κάποια υπόθεση για τον ρυθμό παραγωγής.

Αρχικό Άρθρο:
http://www.science20.com/quantum_diaries_survivor/precise_bound_higgs_boson_width-132349
21 Μαρτίου 2014

About qdsgreek

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

Μία απάντηση στο Ένα ακριβές όριο για το πλάτος του μποζονίου Higgs

  1. Παράθεμα: Δεν βρέθηκαν Higgs σε διασπάσεις τοπ κουάρκ | Ένας Επιζών των Quantum Diaries

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