Η ζωή μετά τo Higgs στα 125 GeV: Τι έχει μείνει από τα μοντέλα δύο διπλετών Higgs

Μόλις διάβασα τη νέα δημοσίευση στο arxiv από τον συνάδελφό μου στο INFN, Massimo Passera και τους συνεργάτες του, με τίτλο «Περιορίζοντας τα μοντέλα δύο διπλετών Higgs«, και σκέφτηκα να σας εξηγήσω εδώ για ποιον λόγο τη θεωρώ πολύ ενδιαφέρουσα, αλλά και να αναφερθώ στα συμπεράσματα τους.

Πρώτα απ’ όλα, όμως, τι είναι αυτά τα μοντέλα δύο διπλετών Higgs και γιατί να ασχοληθεί κανείς μαζί τους; Θα θεωρήσω, για αρχή, δεδομένο πως γνωρίζετε ότι πριν από δύο χρόνια ανακαλύψαμε μέσω των CMS και ATLAS, των δύο γιγαντιαίων πειραμάτων στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων του CERN, ένα νέο σωματίδιο. Το σωματίδιο αυτό προσπαθήσαμε για αρκετό καιρό να μην το αποκαλούμε «μποζόνιο Higgs» (μάλιστα, τα πρώτα papers έκαναν λόγο για την ανακάλυψη ενός μποζονίου «κατά τις έρευνες για το μποζόνιο Higgs»), αλλά πλέον δεν υπάρχει κανένας λόγος για αυτό.

Το σωματίδιο Higgs είχε προταθεί πριν από περίπου 50 χρόνια από μερικούς θεωρητικούς φυσικούς με στόχο να δοθεί λύση σε μία σειρά από προβλήματα. Τα ευρήματα του CERN το 2012 συμφωνούσαν από την πρώτη στιγμή αρκετά καλά με τις προβλέψεις, και πλέον είμαστε απόλυτα βέβαιοι πως πρόκειται για ένα μποζόνιο Higgs. Προσέξτε, όμως, «ένα» μποζόνιο Higgs, όχι «το» μποζόνιο Higgs. Υπάρχει σημαντική διαφορά ανάμεσα στα δύο.

Στην πραγματικότητα, η ύπαρξη του μποζονίου Higgs ήταν μία απαίτηση ενός απλού τρόπου να γίνει η θεωρία συνεπής σε μαθηματικό επίπεδο με φαινόμενα που πριν από 50 χρόνια ήταν υποθέσεις και που αργότερα επιβεβαιώθηκαν, όπως η ύπαρξη μποζονίων ασθενούς αλληλεπίδρασης με ιδιαίτερα μεγάλη μάζα (δηλαδή τα W και Z, τα οποία ανακαλύφθηκαν το 1983 από τον Rubbia στο πείραμα UA1). Αλλά αυτός δεν ήταν ο μοναδικός τρόπος: ήταν ο απλούστερος. Η απλότητα είναι μία ιδιαίτερα μεγάλης εκτίμησης ιδιότητα του φυσικού κόσμου, αλλά πιθανόν να υπάρχουν λόγοι για τους οποίους η Φύση να επέλεξε κάτι λίγο πιο σύνθετο.

Για την περιγραφή των ιδιοτήτων ενός φυσικού συστήματος, ακόμα και ενός μακροσκοπικού, οι φυσικοί χρησιμοποιούν μία συνάρτηση η οποία ονομάζεται «Λαγκρανζιανή» (από τον Ιταλό μαθηματικό Giuseppe Ludovico Lagrangia) και η οποία καθορίζει τη δυναμική του συστήματος. Η Λαγκρανζιανή λέει τα πάντα για τη συμπεριφορά του συστήματος, και επομένως είναι ένας πολύ συμπαγής και κομψός φορμαλισμός.

Στο καθιερωμένο πρότυπο, το μποζόνιο Higgs (το μοναδικό) είναι απόρροια ενός μηχανισμού σπασίματος της συμμετρίας, ο οποίος κατά έναν μαγικό τρόπο μετατρέπει την ωραία και συμμετρική Λαγκρανζιανή της ηλεκτρασθενούς θεωρίας, που μπορεί να περιλαμβάνει μία διπλέτα μιγαδικών βαθμωτών πεδίων (τέσσερις βαθμοί ελευθερίας), σε μία πιο άσχημη εκδοχή της, όπου το μοναδικό φυσικό σωμάτιο χωρίς spin (ένα «βαθμωτό» μποζόνιο) προκύπτει από τη διπλέτα. Οι τρεις εναπομείναντες βαθμοί ελευθερίας χρησιμοποιούνται ώστε να παραχθεί η μάζα των μποζονίων W και Ζ. Αυτό το μαγικό είναι φανταστικό, αλλά εάν ξεκινήσει κανείς με δύο διπλέτες από μιγαδικά βαθμωτά πεδία στην συνάρτηση (δίνοντας έτσι οκτώ βαθμούς ελευθερίας) ο μηχανισμός σπασίματος της συμμετρίας θα έδινε πέντε μποζόνια Higgs, αφού τα W και Ζ θα χρειάζονταν και πάλι μόνο τρεις βαθμούς ελευθερίας.

Τα μοντέλα δύο διπλετών Higgs (2DHM) είναι εμφανέστατα λιγότερο οικονομικά από το αντίστοιχο του καθιερωμένου προτύπου. Παρ’ όλα αυτά, θα μπορούσαν να δώσουν στη θεωρία επιπλέον χαρακτηριστικά, τα οποία και να οδηγήσουν στην επέκταση της σε κάτι ισχυρότερο. Για παράδειγμα, η Υπερσυμμετρία στις απλούστερες εκδοχές της είναι κι αυτή ένα μοντέλο δύο διπλετών Higgs: στην υπερσυμμετρία υπάρχουν πάντοτε τουλάχιστον πέντε μποζόνια Higgs. Όμως τα 2DHMs δεν περιορίζονται μόνο στην SUSY, και συνεπώς είναι ένας πιο γενικός φορμαλισμός, αρκετά χρήσιμος για να μελετηθεί λεπτομερώς.

Μέχρι τώρα αυτό που έχουμε βρει είναι ένα μποζόνιο Higgs στα 125 GeV. Είναι ουδέτερο, είναι βαθμωτό (μηδενικό spin), και συμπεριφέρεται όπως η μοναδική φυσική κατάσταση που αναδύεται από το σπάσιμο ενός μοντέλου με μόνο μία διπλέτα. Αλλά δεν υπάρχει κανένας λόγος να μην είναι αυτό το ένα από αυτά τα πέντε. Το paper του Passera και των συνεργατών του χρησιμοποιεί το δεδομένο εισόδου (πως υπάρχει δηλαδή ένα ελαφρύ ουδέτερο Higgs στα 125 GeV) και λαμβάνει υπόψιν όλες τις παρατηρήσιμες ιδιότητες της ηλεκτρασθενούς φαινομενολογίας – μετρηθείσες τιμές των ιδιοτήτων του Ζ, ανώμαλη μαγνητική ροπή μιονίου, παρατηρήσιμα μεγέθη της φυσικής των Β μεσονίων, άμεσοι περιορισμοί για την ύπαρξη άλλων καταστάσεων Higgs – με στόχο να βρουν ποια περιοχή του παραμετρικού χώρου των 2DHMs δεν έχει αποκλειστεί ακόμα άμεσα ή έμμεσα.

Το paper είναι πολύ τεχνικό οπότε θα σταματήσω εδώ και θα κάνω μία περίληψη των συμπερασμάτων τους. Μία πολύ σημαντική παρατήρηση είναι πως η απόκλιση που παρατηρήθηκε στη μαγνητική ροπή του μιονίου σε σχέση με τις προβλέψεις του Καθιερωμένου Προτύπου, εάν εξεταστεί στο πλαίσιο των 2DHMs, δείχνει προς μία πολύ συγκεκριμένη κατεύθυνση: η απόκλιση, επιπέδου 3 σίγμα, μπορεί να εξηγηθεί εντός ενός συγκεκριμένου είδους μοντέλων δύο διπλετών, τα «τύπου X», ή «lepton-specific». Δε θα μπω σε λεπτομέρειες, αλλά αυτά είναι ένα υποσύνολο όλων των 2DHMs που θα μπορούσε να φανταστεί κανείς. Αυτά συμβιβάζουν την παρατηρούμενη ανωμαλία του μιονίου με τους περιορισμούς σε ένα συγκεκριμένο κανάλι διάσπασης του bottom κουάρκ που περιλαμβάνει s-quarks και φωτόνια. Έτσι, οι ερευνητές καταλήγουν στα εξής:

Ο παραμετρικός χώρος o οποίος ευνοείται από το muon g-2 στα μοντέλα τύπου X είναι σχετικά περιορισμένος όσον αφορά τα εύρη μαζών για το βαρύ ουδέτερο και το φορτισμένο βαθμωτό: M(H0),M(H+)<200 GeV (με χαμηλό MA και υψηλό tan(β)). Η ύπαρξη αυτών των μποζονίων μπορεί να ερευνηθεί στα προσεχή πειράματα του επιταχυντή, ακόμα και εάν αυτή η περιοχή παραμέτρων μπορεί να είναι φευγαλέα, διότι η παραγωγή των επιπλέον μποζονίων Higgs A, H, και H+ ελαττώνεται είτε από το 1/ tan^2 β (σε single productions, πχ μέσω gluon fusion), είτε από το cos(β-α) (σε associated productions των Vφ και hφ). Τα καλύτερα κανάλια, λοιπόν, για την έρευνα για επιπλέον μποζόνια θα είναι pair ή associated productions μέσω της pp -> HH,HA […]  η οποία θα ακολουθείται από [λεπτονικές διασπάσεις], και μπορεί να ερευνηθεί άμεσα στην επόμενη περίοδο λειτουργίας του LHC.

Αυτή είναι μία πολύ συγκεκριμένη πρόβλεψη και αξίζει νομίζω προσοχής. Φυσικά, τα ATLAS και CMS θα εξερευνήσουν αυτές τις τελικές καταστάσεις στη δεύτερη περίοδο λειτουργίας του LHC (Run2), η οποία θα ξεκινήσει μέσα στο 2015, αλλά αυτή η δημοσίευση προσδίδει ακόμα μεγαλύτερο ενδιαφέρον σε αυτές τις υπογραφές.

Τέλος, με χαροποίησε ιδιαίτερα το γεγονός πως, απ’ ό,τι βλέπω, συμπεριλαμβάνεται και το όνομα μου στις Ευχαριστίες της δημοσίευσης… Τους ευχαριστώ πολύ για αυτήν τη τιμή!

Αρχικό Άρθρο:
http://www.science20.com/a_quantum_diaries_survivor/life_after_the_125_gev_higgs_what_is_left_of_twohiggs_doublet_models-144755
13 Σεπτεμβρίου 2014

About qdsgreek

Greek version of "A Quantum Diaries Survivor" blog
This entry was posted in Θεωρία, 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