Έχουν περάσει δύο χρόνια από την ανακάλυψη του μποζονίου Higgs (4 Ιουλίου 2012), και το νεαρό αυτό σωματίδιο συνεχίζει να προκαλεί ενθουσιασμό. Αρχικά, είχαμε το πλεόνασμα στις διασπάσεις του Higgs προς ζεύγη φωτονίων, το οποίο παρατηρήθηκε από το ATLAS – αλλά η ανωμαλία αυτή δεν υφίσταται πλέον, χάρη στη λήψη περισσότερων δεδομένων και τη προσεκτικότερη επεξεργασία αυτών. Έπειτα είχαν σειρά οι «δίδυμες κορυφές«: Το ATLAS είδε και πάλι μία ασυμβατότητα, αυτή τη φορά μεταξύ μετρήσεων με ζεύγη φωτονίων και αντίστοιχων μετρήσεων με ζεύγη μποζονίων Ζ.
Και οι δύο αυτές ανωμαλίες βρίσκονταν σε επίπεδο σημαντικότητας της τάξεως του 2σ – κάτι το οποίο σημαίνει πως υπήρχε πιθανότητα 1-5% να λάβουμε αυτά τα δεδομένα, εφόσον το Καθιερωμένο Πρότυπο (ΚΠ) είναι σωστό. Και τώρα, είναι η σειρά του CMS: υπάρχει ένα πλεόνασμα, επιπέδου 2.5 σίγμα, σε διασπάσεις του μποζονίου Higgs όπου δεν διατηρείται η γεύση των λεπτονίων (lepton-flavour violating decays ή εν συντομία LFV decays), όπως βρέθηκε από τη νέα ανάλυση του CMS.
Αισθάνομαι την ανάγκη να απολογηθώ για το ότι αναρτώ δύο «συναρπαστικά» άρθρα μέσα σε τρεις μέρες, αλλά είναι αλήθεια πως οι σωματιδιακοί φυσικοί συνηθίζουν να συσσωρεύουν τα αποτελέσματα τους σε δύο περιστάσεις οι οποίες απέχουν χρονικά μεταξύ τους έξι μήνες: τα καλοκαιρινά συνέδρια και τα χειμερινά συνέδρια. Αυτό τους δίνει τη δυνατότητα να κάνουν δωρεάν διακοπές σε φανταχτερά χιονοδρομικά κέντρα ή σε άλλους ελκυστικούς προορισμούς (για αυτούς που θέλουν να έχουν και λίγη ζωή), ή να μαζευτούν με εκατοντάδες άλλους συναδέλφους τους και να παρακολουθήσουν πολλές ομιλίες (για αυτούς που είναι σοβαροί με τη δουλεία τους). Έτσι οι μεγάλες κοινοπραξίες επιστημόνων συχνά παρουσιάζουν μαζεμένα πολλά ενδιαφέροντα αποτελέσματα (και διάφορα λιγότερο ενδιαφέροντα), εκεί όπου θα έχουν και τον μικρότερο δυνατό αντίκτυπο στα μέσα ενημέρωσης. Ποτέ δεν κατάλαβα γιατί αυτό θα πρέπει να θεωρείται κάτι καλό, αλλά έτσι έχουν τα πράγματα, οπότε ας συνεχίσουμε.
Η γεύση των λεπτονίων
Το σημερινό αποτέλεσμα είναι απόρροια της έρευνας για μία εξωτική διάσπαση: θα μπορούσε το μποζόνιο Higgs να διασπαστεί σε ένα λεπτόνιο tau και ένα ελαφρύτερο λεπτόνιο; Φυσικά και όχι. Όχι, τουλάχιστον, στο πλαίσιο του καθιερωμένου προτύπου: κάτι τέτοιο θα σήμαινε πως το Higgs διαθέτει τη «δύναμη» να μεταλλάσσει την ύλη, σε μεγαλύτερο μάλιστα βαθμό και από το μποζόνιο Ζ. Αλλά νομίζω πως μιλάω κάπως με γρίφους, οπότε επιτρέψτε μου να γίνω πιο σαφής.
Παρά το γεγονός πως τα υλικά σωματίδια διασπώνται -τις περισσότερες φορές απίστευτα γρήγορα- σε ελαφρύτερα, έχει παρατηρηθεί πως διατηρούνται κάποια χαρακτηριστικά: το μητρικό σωματίδιο μεταβιβάζει κάποια ιδιότητα του στην επόμενη γενιά, η οποία και δεν χάνεται. Έτσι, για παράδειγμα, όταν ένα μιόνιο διασπάται σε ένα ηλεκτρόνιο, ένα αντινετρίνο του ηλεκτρονίου και ένα νετρίνο του μιονίου, η «μιονική ιδιότητα (muon-ness)» περνά από το μιόνιο στο νετρίνο του μιονίου. Ή, ομοίως, όταν ένα νετρόνιο διασπάται σε ένα πρωτόνιο, ένα ηλεκτρόνιο και ένα αντινετρίνο του ηλεκτρονίου, ο βαρυονικός αριθμός του νετρονίου μεταβιβάζεται στο πρωτόνιο. Η ύλη αλλάζει μορφές, αλλά δεν μπορεί να καταστραφεί. Και μάλιστα, ακόμη και όταν αλλάζει, ακολουθεί πάντοτε αυτόν τον κληρονομικό κανόνα των «καλών κβαντικών αριθμών».
Το σωματίδιο που μπορεί να μεταλλάσσει την ύλη είναι το μποζόνιο W: μέσω αυτού περνά η μιονική ιδιότητα στο νετρίνο του μιονίου. Και μέσω του W, καταφέρνει το down κουάρκ μέσα στο νετρόνιο να γίνει up κουάρκ, διατηρώντας για βαρυονικό αριθμό το +1/3. Πραγματικά, ποτέ μέχρι σήμερα δεν έχουμε παρατηρήσει κάποια παραβίαση του βαρυονικού ή του λεπτονικού αριθμού.
Ας πάμε τώρα στο μποζόνιο Higgs. Τι σχέση έχει αυτό με όλα τα παραπάνω; Το Higgs δεν μπορεί να κάνει κανένα τρικ σαν αυτό του W κατά τις διάφορες διασπάσεις: δεν μπορεί μέσω τις «σύζευξης» με ένα σωμάτιο να του αλλάξει τη φύση του. Εάν αλληλεπιδράσει με ένα τοπ κουάρκ, αυτό θα παραμείνει τοπ κουάρκ. Εάν εκπεμφθεί από ένα μιόνιο, αυτό θα παραμείνει μιόνιο. Όλα αυτά είναι τόσο άρρηκτα συνδεδεμένα με τις εξισώσεις του Καθιερωμένου Προτύπου που οποιαδήποτε άλλη σκέψη είναι σχεδόν απαγορευμένη. Η επινόηση του μποζονίου Higgs για την επίλυση του γρίφου του σπασίματος συμμετρίας στην ηλεκτρασθενή θεωρία ήταν ένα μνημειώδες κατόρθωμα -θα το έβαζα μέσα στα 10 μεγαλύτερα επιτεύγματα τις ανθρώπινης νόησης. Αλλά τώρα εάν το χρησιμοποιείς για να λύσεις έναν γρίφο και βρίσκεις τελικά πως τα πράγματα λειτουργούν έτσι όντας πολύ πιο σύνθετα είναι, αν μη τι άλλο, κάπως ενοχλητικό.
Οπότε, οι εξισώσεις μας διαβεβαιώνουν πως το Higgs δε διασπάται σε ένα tau και ένα μιόνιο, καθώς κάτι τέτοιο δεν θα έβγαζε νόημα. Ή μήπως θα έβγαζε; Στην πραγματικότητα, οι φίλοι μας οι θεωρητικοί αρέσκονται να κάνουν εικασίες, και μερικοί από αυτούς μας εξηγούν πως κάτι τέτοιο θα είχε νόημα. Υπάρχουν μοντέλα τα οποία περιέχουν διασπάσεις του Higgs που δε διατηρούν τη λεπτονική γεύση και τα οποία δεν καταστρέφουν τα ωραία χαρακτηριστικά του όλου οικοδομήματος: μοντέλα με περισσότερα του ενός μποζόνια Higgs, μοντέλα στα οποία το Higgs είναι σύνθετο σωματίδιο… Νομίζω δεν χρειάζεται να μπω σε λεπτομέρειες. Ας δούμε, καλύτερα, τα δεδομένα.
Η νέα ανάλυση του CMS
Πρώτα απ’ όλα, είναι σημαντικό να θυμάται κανείς πως υπάρχει ένα όριο στο <13% για διασπάσεις του Higgs που παραβιάζουν την λεπτονική γεύση, από την έρευνα του ATLAS για την διάσπαση H->tau tau. Το CMS ασχολήθηκε με την άμεση ανακατασκευή των διασπάσεων του Higgs σε ένα tau και ένα μιόνιο. Αυτό το έκανε βρίσκοντας λεπτόνια tau είτε ως στενούς πίδακες ελαφριών αδρονίων (πράγμα σύνηθες για τα tau) είτε ως ένα μοναχικό ηλεκτρόνιο. Γιατί όχι σε διασπάσεις tau -> μ; Επειδή αυτές θα έδιναν μία τελική κατάσταση με δύο μιόνια, η οποία κυριαρχείται από μεγαλύτερο υπόβαθρο.
Ίσως να φαίνεται πως το υπόβαθρο των δύο tau αποτελεί ένα μεγάλο εμπόδιο για αυτή την έρευνα: ζεύγη tau μπορούν να παραχθούν από ένα μποζόνιο Z. Το ένα από τα tau μπορεί να διασπαστεί σε ένα μιόνιο και το άλλο να γεννήσει την υπογραφή εντοπισμού (tagging signature) που απαιτεί η ανάλυση (έναν στενό πίδακα ή ένα απομονωμένο ηλεκτρόνιο). Εντούτοις, το μιόνιο που προκύπτει από διασπάσεις όπου παραβιάζεται η λεπτονική γεύση έχουν πολύ μεγαλύτερη ενέργεια από τα μιόνια της διάσπασης ενός tau. Αυτό συμβαίνει διότι στη διάσπαση του tau, αυτό θα πρέπει να διαμοιράσει την ενέργεια του (η οποία είναι, ας πούμε, η μισή της μάζας του Z εάν προέρχεται από μποζόνιο Z, ή η μισή της μάζας του Higgs εάν προέρχεται από μποζόνιο Higgs) σε τρία σωματίδια – το μιόνιο, το αντινετρίνο του μιονίου και το tau νετρίνο. Θυμηθείτε: το tau δεν παραβιάζει τη διατήρηση της λεπτονικής γεύσης κατά τη διάσπαση του, αφού η «tau-ιδιότητα» μεταλαμπαδεύεται στο tau νετρίνο. Είναι η ίδια κατάσταση ακριβώς με τη διάσπαση του μιονίου.
Στο CMS μελέτησαν όλα τα σχετικά υπόβαθρα με φροντίδα και έδωσαν μία λεπτομερή πρόβλεψη για το καθένα από αυτά. Ένα τυπικό τέχνασμα είναι να ψάξει κανείς για λεπτόνια tau και μιόνια τα οποία έχουν το ίδιο ηλεκτρικό φορτίο: αυτό πια δεν γίνεται να είναι αποτέλεσμα μιας διάσπασης Higgs – θα απαιτούσε «υπερβολική» παραβίαση των νόμων διατήρησης για μία μονάχα διάσπαση! – επομένως, συγκρίνοντας δεδομένα και προσομοιώσεις σε ένα τέτοιο δείγμα ελέγχου που δεν περιέχει σήμα είναι δυνατόν να διαπιστώσουμε εάν τα υπόβαθρα όπως τα fake muons (τα οποία δεν γνωρίζουν τίποτα για το φορτίο του tau, πχ) είναι ελεγχόμενα.
Φυσικά η μεταβλητή η οποία εξετάζεται είναι η αναλλοίωτη μάζα του μιονίου και του tau. Θα είχε προφανώς μία κορύφωση στα 125 GeV στην περίπτωση της διάσπασης μποζονίου Higgs, ενώ όλα τα υπόβαθρα είτε θα είχαν μέγιστο κάπου αλλού (όπως για τα tau+μιόνια που προέρχονται από διάσπαση ενός Ζ, με το μιόνιο να είναι προϊόν της διάσπασης ενός tau), είτε δεν θα είχαν πουθενά μέγιστο (όπως, για παράδειγμα, στην περίπτωση των σωματιδίων που έχουν αναγνωριστεί εσφαλμένα ως λεπτόνια (misidentified leptons)).
Εν τέλει, το φάσμα μαζών φαίνεται από κάτω. Ή μάλλον, καλύτερα, τα φάσματα μαζών: η επιλογή σωματιδίων Higgs δημιουργεί πολλές διαφορετικές κατηγορίες που μπορεί να περιέχουν σήμα, συμπεριλαμβανομένων και υποψηφίων Higgs τα οποία παράγονται μαζί με δύο αδρονικούς πίδακες με κατεύθυνση προς τα εμπρός (η διαδικασία «vector-boson-fusion» παράγει δύο τέτοιου είδους πίδακες (tagging jets)). Χωρίζοντας τα δεδομένα σε κατηγορίες 0, 1, και 2 πιδάκων και λαμβάνοντας υπόψιν ξεχωριστά τις υπογραφές λεπτονίου tau, «στενός πίδακας» και «ηλεκτρόνιο», παίρνουμε τελικά έξι διαφορετικά ιστογράμματα. Σημειώστε πως τα διάφορα υπόβαθρα συνεισφέρουν διαφορετικά σε κάθε μία από τις έξι υποκατηγορίες δεδομένων.
(Στα παραπάνω γραφήματα, στο πάνω μέρος φαίνεται το αντίστοιχο ιστόγραμμα μαζών, και από κάτω το υπόλοιπο μεταξύ δεδομένων και συνολικού υποβάθρου διαιρεμένο δια του υποβάθρου).
Εάν συγκρίνει κανείς τα δεδομένα (μαύρα σημεία) με το άθροισμα των υποβάθρων (έγχρωμα ιστογράμματα) παρατηρεί πως υπάρχει ένα ελαφρύ πλεόνασμα κοντά στα 125 GeV και στις δύο κατηγορίες χωρίς πίδακες (δηλαδή, στα πρώτα δύο ιστογράμματα), καθώς επίσης και ένα μικρότερο στις κατηγορίες 1-πίδακας μτe και 2-πίδακες μτhad (κέντρο αριστερά, και κάτω δεξιά, αντίστοιχα). Σημειώστε επίσης πως στα γραφήματα το πιθανό σήμα φαίνεται με το κενό μπλε ιστόγραμμα. Το branching fraction που έχει υποτεθεί για το ιστόγραμμα είναι μόλις 0.9% – 15 φορές μικρότερο από το όριο του ATLAS.
Χρησιμοποιώντας τα δεδομένα και την περίπλοκη combined likelihood fitting διαδικασία που ανακαλύφθηκε για το μποζόνιο Higgs πριν από δύο χρόνια, το CMS παράγει μία εκτίμηση για το branching fraction σε κάθε μία από τις έξι κατηγορίες και έπειτα μία συνδυασμένη εκτίμηση. Αυτά φαίνονται στο διπλανό γράφημα.
Όπως μπορείτε να δείτε, παρότι οι γραμμές σφάλματος είναι πολύ μεγάλες για να βγάλουμε ασφαλή συμπεράσματα, υπάρχει μία συνεπής εικόνα για μη μηδενικό branching fraction. Φυσικά, σε καμία περίπτωση δεν απορρίπτεται το Καθιερωμένο Πρότυπο (το οποίο προβλέπει το branching fraction να είναι ακριβώς ίσο με μηδέν) – το φαινόμενο έχει σημαντικότητα 2.5 σίγμα, το οποίο σημαίνει ότι υπάρχει μία πιθανότητα 0.7% να παρατηρήσουμε δεδομένα τα οποία αποκλίνουν από το ΚΠ τόσο όσο σε αυτή την έρευνα.
Η σημασία της μέτρησης, κατά την ταπεινή μου άποψη, δεν είναι τόσο στη μικρή απόκλιση από τις προβλέψεις, όσο στο πολύ πιο ισχυρό όριο που μπορεί να θέσει το CMS για τις LFV διασπάσεις: από το 13% του ATLAS, έχουμε πάει πλέον μία τάξη μεγέθους πιο κάτω: το CMS αποκλείει τις LFV διασπάσεις με branching fraction που ξεπερνά το 1.57%, σε επίπεδο εμπιστοσύνης 95%. Και, φυσικά, σε αυτό το σημείο θα έχει ενδιαφέρον να δούμε τι μπορεί να κάνει και το ATLAS χρησιμοποιώντας την ίδια τεχνολογία: εάν βρουν και αυτοί ένα πλεόνασμα κοντά στα 3 σίγμα, θα υπάρχει και πάλι λόγος για ενθουσιασμό!
Αρχικό Άρθρο:
www.science20.com/a_quantum_diaries_survivor/does_the_higgs_violate_lepton_flavour_number_a_cms_result_tickles_wild_fantasies-139980
6 Ιουλίου 2014
Ένας Επιζών των Quantum Diaries 
Παράθεμα: Γίνεται &t...