LHC rastos lengvo Higso bozono užuominos (14)
Gali būti, kad drovusis Higso bozonas pagaliau apsireiškė Didžiajame protonų greitintuve (Large Hadron Collider (LHC)). Abu pagrindiniai detektoriai, ATLAS ir CMS, pateikė lengvo Higso bozono (Hb) užuominas. Jeigu jos pasitvirtins, vienintelė Standartinio modelio skylė bus užpildyta.
Prisijunk prie technologijos.lt komandos!
Laisvas grafikas, uždarbis, daug įdomių veiklų. Patirtis nebūtina, reikia tik entuziazmo.
Sudomino? Užpildyk šią anketą!
Kas jaudina dar labiau, tai tokios masės Hb – apie 125 gigaelektronvoltų – praminamas kelias į nepažymėtą teritoriją. Tokiam plunksnos lengvumui stabilizuoti reikėtų bent vienos naujo tipo dalelės. „Tai labai jaudina“, – sako CMS atstovas spaudai Guido Tonelli. „Tai būtų pirmas atradimų grandinės žiedas.“
Populiariausia dalelių ir jėgų sąveikos teorija, Standartinis modelis, buvo itin sėkmingas nuo pat jo pasiūlymo septintajame dešimtmetyje. Bet jis veikia tik tokiu atveju, jei Hb išties egzistuoja. Dalelė yra nematomos visumos, vadinamos Higso lauku, vizitinė kortelė, suteikianti visoms dalelėms jų masę. Tačiau Standartinis modelis negali numatyti, kiek sveria pats Higso bozonas.
Tad fizikai ilgai medžiojo paprasčiausią Hb versiją įvairiuose dalelių greitintuvuose. Eksperimentai nuolat išbraukdavo jį iš masių ruožų, išskyrus siaurą langelį tarp 115 ir 141 GeV.
Dabar LHC fizikai iš CERN, išbandė šį ruožą detaliau, nei bet kada anksčiau. Antradienį Tonelli’is ir Fabiola Gianotti, ATLAS detektoriaus vadovė, atskirai pristatė rezultatus, gautus iš daugiau, nei 300 trilijonų greitų dalelių susidūrimų, įvykdytų praeitais metais. „Tai pirmas kartas, kai tikrai tiriame visą [masių] regioną reikiamu tikslumu – tokiu, kuris leis, jei tenai kas nors yra, kažką pamatyti“, – sako Tonelli’is.
ATLAS'o duomenys apriboja Hb egzistavimą tarp 115 ir 131 GeV; CMS išbraukia galimybę, kad Hb yra sunkesnis, nei 127 GeV.
Labiausiai jaudina, kad ATLAS pastebėjo Hb požymius ties 126 GeV; CMS pamatė ties 124 GeV. Tai pirmas kartas, kai abiejuose eksperimentuose stebėtas signalas buvo beveik tokios pačios masės. „Tiesą sakant, mes labai lenktyniaujame vieni su kitais, tačiau esu laimingas, kai matau jų pasiektus rezultatus“, – sako Tonelli’s. „Jų rezultatai svarbūs mums. Jie gaunami visiškai nepriklausomu būdu.“
Hb šmėstelėjimą tikimasi išvysti LHC vykstančiuose įgreitintų protonų susidūrimuose, bet jo neis pamatyti tiesiogiai. Vietoje to fizikai ieško lengvesnių dalelių ir fotonų liūčių, kylančių dėl įvairių masių Higso bozonų irimo. Kadangi kitos dalelės sukuria tokius pačius irimo produktus, Hb medžiotojai detektoriais ieško įtartino šių produktų pertekliaus.
CMS tokį perteklių užfiksavo penkiuose skirtinguose galimo irimo produktuose, tarp jų ir lengviausiai interpretuojamoje gama fotonų poroje ir dviejuose Z bozonuose. ATLAS taip pat užfiksavo šių dviejų produktų perteklių.
Nors abi komandos perteklių rado prie panašios masės, dar nepakanka duomenų skelbti apie atradimą. ATLAS'o signalas turi statistinį reikšmingumą 2,3 sigma, kai masė 126 GeV, o tai reiškia, kad yra maždaug 2 % tikimybė, kad tai yra atsitiktinė fluktuacija; tas pats CMS užfiksuotas pertekliaus statistinis reikšmingumas tėra 1,9 sigma.
Norint paskelbti apie atradimą, reikia, kad signalas būtų 5 sigma. Tai reikštų, kad yra mažiau, nei viena galimybė iš milijono, kad tai atsitiktinė fluktuacija. „Šioje stadijoje dar tikrai negalime daryti išvadų“, – sako Gianotti. „Tai gali būti kažkas įdomaus arba tiesiog fluktuacija.“
Netgi tik užuomina apie 125-GeV Hb leido kai kuriems teoretikams lengviau atsikvėpti. Nors Standartinis modelis negali tiesiogiai numatyti dalelės masės, jis numato kitų dalelių sąveiką su Hb – konkrečiau, W ir Z bozonų, atsakingų už silpnąją branduolinę sąveiką.
Ankstesni eksperimentai parodė, kad W ir Z bozonų masė yra 80,4 ir 91,2 GeV. Dėl šių dalelių sąveikos, Hb masė turėtų būti tarp 115 ir 130 GeV. Higso bozonas, kurio masė 125 GeV ar panašiai „yra būtent tai, ko reiktų“, – sako Nobelio premijos laureatas Frank’as Wilczek’as iš MIT.
Tokia masė masė nutiesia kelius fizikai, išeinančiai už Standartinio modelio ribų. Dėl subtilių kvantų mechanikos efektų, lengvasvoriui Hb reikia sunkesnio kompaniono „savotiško asmens sargybinio“, – sako Tonelli’is. Kitaip kvantinis vakuumas iš kurio dalelės atsiranda, būtų nestabilus ir visata jau seniausiai būtų suirusi. Jei Hb iš tikro yra toks lengvas, faktas, kad dabar egzistuojame nurodo į tai, kad yra bent viena papildoma dalelė už Standartinio modelio ribų.
Wilczek’as mano, kad tai puikios naujienos. Taip paliekamos atviros durys vienam iš matematiškai gražiausių Standartinio modelio plėtinių. Supersimetrija, arba sutrumpintai SUSY, teigia, kad kiekviena žinoma dalelė turi po dar neaptiktą partnerį ir žada išspręsti daugelį standartinio modelio trūkumų. Ji gali apjungti stipriąją ir silpnąją sąveiką su elektromagnetine ir siūlo tamsiosios materijos kandidatą.
Paprasčiausia teorijos versija numato, kad papildomos dalelių partnerės jau turėtų pasirodyti LHC – o taip nėra. Jei Hb masė tikrai apie 125 GeV, tai galėtų suteikti naują gyvenimą negaluojančiai teorijai. „Tam tikra prasme SUSY gaus šiek tiek deguonies“, – sako Tonelli’is. „Gal tai ne paprasčiausias ir populiariausias modelis, bet domėjimasis juo atgis. SUSY bus svarbi tyrimų sritis LHC eksperimentuose kitais metais.“
O kol kas, ATLAS ir CMS fizikai doros dar daugiau duomenų, siekdami išsiaiškinti, ar lengvojo Higso bozono užuominos yra tikros. Kruopštus jau turimų duomenų apjungimas galėtų padvigubinti statistiką; Tonelli’is mano, kad tai įtvirtintų statistinį reikšmingumą tarp 3,7 ir 3,9 sigma, arba 1 iš 10 000 tikimybę, kad rezultatai tebuvo atsitiktinumas.
Jei greitintuvas veiks gerai, abu eksperimentai turėtų būti sukaupę pakankamai duomenų paprasčiausios Hb versijos patvirtinimui ar paneigimui iki 2012 metų pabaigos. Tada fizikai galės pažvelgti į šį momentą, kaip į pirmą didžiojo atradimo pasireiškimą. „Todėl čia yra šiek tiek jaudulio“, – sako Tonneli’is.
Ne mažiau jaudulio sukeltų ir visiškas Hb nepasirodymas. Jei dabartinės užuominos, tikrinant toliau, pradingtų, fizikai palauktų, kol LHC pradės veikti visa savo galia 2015-aisiais ir ieškotų kitų dalelių ar reiškinių, galinčių suteikti masę dalelėms be Higso bozono.
„Turi būti kažkas kito, vaidinančio šį vaidmenį“, – sako Gianotti. „Ieškosim to kažko kito.“
Jei Higso bozonas pradingtų…
Abiejų LHC detektorių komandos rado Higso bozono ženklų (žr. pagrindinį pasakojimą). Bet jų statistinis reikšmingumas yra gana žemas ir užuominos gali pradingti geriau išanalizavus daugiau duomenų. Jeigu Hb nebus aptiktas, kas galėtų užpildyti spragą?
Kai kuriems fizikams, pavyzdžiui, Nobelio premijos laureatui Frank’ui Wilczek’ui iš Masačiusetso technologijos instituto (MIT), pasaulis be Higso bozono atrodo neskoningas, nes tai yra paskutinė neatrasta dalelių fizikos Standartinio modelio detalė. Kaip toks pasaulis atrodytų? „Tai panašu į klausimą, tarkime, kas būtų, jei prie dviejų pridėjus du, rezultatas nebus keturi?“ – sako Wilczek’as. „Negaliu pateikti protingo atsakymo, tai yra taip keista.“
Bet kitas Nobelio premijos laureatas Steven Weinberg iš Teksaso universiteto Ostine, padėjęs išvystyti Standartinį modelį septintajame dešimtmetyje, yra atviresnis tokiai galimybei. „Manau, yra ir Hb alternatyvų“, – pažymi Weinberg’as.
Viena iš jų būtų nauja jėga, vadinama ryškioji (technicolour), kuri veiktų, kaip stiprioji versija stipriosios sąveikos, sulipinančios kvarkus atomo branduolyje. Ryškioji jėga užpildytų erdvę naujų dalelių poromis, kurios sudarytų sriubą, per kurią irdamosi kitos dalelės įgautų masę.
„Tai būtų puiki alternatyva, jei nebūtų rastas Higso bozonas“, – pastebi Weinberg’as. „Tada turėtų būti kitų, tikriausiai didesnės energijos, dalelių, kurias LHC galėtų atrasti.“
News Scientists, 2011 gruodžio mėn.