Je nebo není higgs potvrzen?

Vladimír Wagner

V úterý 13. prosince 2011 prezentovaly v hlavním přednáškovém sále laboratoře CERN dva experimenty ATLAS a CMS společně přehled svých dosavadních výsledků hledání Higgsova bosonu. Podívejme se na ně.

Případ zachycení čtyř mionů v experimentu ATLAS, kandidát na „zlatý kanál“ rozpadu Higgsova bosonu na dva Z bosony, který se každý rozpadne na dva miony. (Zdroj prezentace Fabioli Gianottiové).

Hlavní přednášková místnost v laboratoři CERN byla doslova našlapaná a plná byla i posluchárna hned vedle, kam se přednáška také přenášela A Fabiolu Gianottiovou z experimentu ATLAS i Guida Tonneliho z experimentu CMS poslouchalo velké množství lidí v celém světě i na síti. Oba zdůraznily, že letošní rok byl pro všechny experimenty i samotný urychlovač LHC velmi úspěšný. Podařilo se zaznamenat zhruba pětkrát větší množství srážek, než se očekávalo. Přehled výsledků, které se zatím v experimentech na LHC získaly, byl podrobně popsán v článku „Jak se v roce 2011 dařilo urychlovačům LHC a Tevatron“. V očekávaném semináři byly rozebrány výsledky analýzy dat dvou největších experimentů LHC, které se zabývají právě hledáním Higgsova bosonu. Než se podíváme na obě prezentace, připomeňme si, jak se taková částice jako higgs hledá.

Narvaná druhá posluchárna v laboratoři CERN, kam se přednáška přenášela. Seminář končí a ředitel laboratoře CERN gratuluje přednášejícím z experimentů ATLAS a CMS (zdroj fotografie účastníků Českého učitelského týdne v CERNu).

 
Jak se higgs hledá?
 

Pokud se Higgsův boson vytvoří, existuje jen velmi krátce a rozpadá se na jiné částice. Někdy už jsou tyto sekundární částice stabilní, například při rozpadu na dva gama fotony. Velice často však vzniklé částice existují také jen velmi krátce. Například, jestliže se jedná o dva Z⁰ bosony nebo kombinaci W⁺ a W^- bosonu. Zatímco W bosony se většinou rozpadají komplikovaněji identifikovatelným způsobem, u Z⁰ bosonů existují rozpady na dvojici nabitých leptonů (buď elektron a pozitron nebo mion a antimion). Případ, kdy zachytíme dvě dvojice leptonů, které pocházejí z rozpadu Z⁰ bosonů, jejichž původ by mohl být v rozpadu higgse, se označuje jako zlatý kanál. Důvodem je, že se dá velice dobře identifikovat a je malá pravděpodobnost vzniku náhodného souběhu produkce stejné kombinace dvou leptonů a dvou antileptonů. Prostě máme velmi nízké pozadí.

Identifikace higgse nebo krátce žijících sekundárních částic je umožněna speciální teorií relativity. Pokud zachytíme příslušné sekundární částice a změříme jejich energie a hybnosti, tak můžeme pomocí nich spočítat klidovou hmotnost původní částice, jejíž rozpadem vznikly. Takže v případě, že máme třeba dvojici mion a antimion, určíme jejich energie a hybnosti a spočtená klidová hmotnost odpovídá hmotnosti Z⁰ (zhruba devadesátkrát větší než hmotnost protonu), tak se potvrzuje, že pochází z rozpadu této částice. Pokud je vypočtená hmotnost jiná, tak je jasné, že částice vznikly v jiných procesech a tyto případy vytváří nežádoucí pozadí.

Náročnost experimentu ukazuje i extrémní případ, kdy došlo díky vysoké intenzitě srážek ke dvaceti srážkám „v jednom (pro detektorový systém nerozlišitelném) okamžiku“. Analýza takových případů je velmi náročná. Žlutými čarami je označen pár mionu a antimionu, který vznikl v rozpadu bosonu Z. (Zdroj prezentace Fabioli Gianottiové).

Standardní model, který je současnou teorií popisující strukturu hmoty, nedokáže předpovědět hmotnost higgse. Pokud však zvolíme danou jeho hmotnost, dokáže standardní model předpovědět pravděpodobnost jeho vzniku a pravděpodobnosti s jakými se rozpadá na jednotlivé částic. Tedy s jakou pravděpodobností se rozpadne na dvě gama nebo na dva Z bosony. Zároveň víme na jaké částice a s jakou pravděpodobností se rozpadají Z bosony.

Pokud třeba zachytíme dva fotony gama s velmi vysokou energií, mohou pocházet s rozpadu higgse. Spočítáme pomocí jejich energií a hybností klidovou hmotnost, dostaneme různé počty případů pro různé hmotnosti. V případě, že se nepozorují žádné rozpady částic, mění se počet případů s hodnotou hmotnosti pomalu. Pokud je přítomen i rozpad nějaké částice, tak budeme pozorovat pík v místě hmotnosti, kterou daná částice má. Protože fotony gama mohou vznikat i v řadě dalších procesů, je v tomto případě pozadí velké a exponenciálně klesá. Pík vytvořený rozpadem higgse vytvoří v oblasti jeho hmotnosti přebytek případů narušující hladký pokles pozadí.

Pravděpodobnost produkce a rozpadu Higgsova bosonu na různé částice. Písmeno sigma označuje v tomto případě účinný průřez (pravděpodobnost) zrodu higgse a BR větvící poměr (tedy pravděpodobnost rozpadu na dané částice). Gama jsou fotony, l jsou leptony, ný jsou neutrina, q jsou kvarky a b jsou b kvarky. (Zdroj prezentace Fabioli Gianottiové).

 
Co pozorují jednotlivé experimenty?
 

Je třeba zdůraznit, že oba experimenty udělaly obrovské množství práce. Není obvyklé, aby výsledky analýz u tak náročných experimentů byly k dispozici tak brzo. I když se zatím jedná o výsledky předběžné. Intenzivní práce byla věnována hlavně kalibraci detektorů a přesnému pochopení všech jejich vlastností. Na tom je závislá přesnost určení energie a hybnosti zachycených částic a tím i určení výsledné hmotnosti částice z jejíhož rozpadu vznikly. Právě analýze možných zdrojů nepřesností v procesu analýzy byla věnována pozornost i při semináři.

Oba experimenty důkladně prozkoumaly řadu produkcí a rozpadů známých částic popisovaných standardním modelem. Ukázaly, že předpovědi této teorie velice dobře popisují získaná data a fyzikové velmi dobře chápou fungování experimentálních zařízení. To je nutné k tomu, aby si byli jisti, že náznaky odchylek jsou známkou existence higgse nebo nové fyziky a nejsou jen chybou nebo nepřesnostmi v jejich poznání zařízení či fyziky standardního modelu.

Důkladnou analýzou všech rozpadů se podařilo ještě více, než bylo ukázáno v předchozím článku, omezit oblast hmotností, kde by se higgs mohl vyskytovat Společným úsilím experimentů ATLAS a CMS jde nyní pouze o oblast mezi 116 GeV/c² až 127 GeV/c². A právě v této oblasti vidí oba experimenty náznaky přebytku případů v některých rozpadech, které by mohly naznačovat, že se jedná o rozpady Higgsova bosonu

U experimentu ATLAS je nejsilnější evidence existence higgse právě v rozpadu na dva vysokoenergetické fotony gama. V rozmezí hmotností mezi 100 až 160 GeV/c² bylo zaznamenáno 22 489 takových případů. Nepravidelnost která se v průběhu pozadí objevuje u hmotnosti zhruba 125 GeV/c², je taková, že pravděpodobnost existenci částice je na úrovni téměř tři sigma. Fabiola Gianottiová to zhodnotila tak, že vyloučení tohoto přebytku a „napravení“ tvaru pozadí v případě, že higgs není a jde o statistickou fluktuaci, bude chtít dost velkou novou statistiku. Naopak, pokud jde o reálný projev existence higgse, nemusí se statistika pro jeho prokázání zvyšovat zase tak moc. Jisté náznaky přebytků případů se objevují i u některých dalších rozpadů. I když třeba rozpad na dva Z bosony a dále na čtyři nabité leptony, tedy do zlatého kanálu, byl pozorován pro hmotnost menší než 180 GeV/c² pouze párkrát.

Velice efektivní využívání LHC a stálé zlepšování jeho parametrů ukazuje i graf postupného růstu integrální luminozity (zeleně v pozadí je luminozita dodaná LHC a žlutá v popředí ta využitá experimentem ATLAS). Pojem luminozity vysvětlen v předchozím článku o LHC. (Zdroj prezentace Fabioli Gianottiové)

U experimentu CMS se v případech dvojic fotonů gama a z nich spočtených hmotnosti ukazuje v oblasti 125 GeV/c² také jistý přebytek případů, ale jeho průběh je velmi nepravidelný. Je zde nižší pravděpodobnost, že jde opravdu o higgse. Pokud jde o náhodnou fluktuaci, tak pro návrat k pravidelnému tvaru pozadí stačí doplnit celkem malý počet nových nabraných případů. Experiment CMS však dále pozoruje náznaky přebytků případů oproti pozadí v řadě dalších typů rozpadu higgse. I když jsou zatím velmi slabé, v souběhu jejich váha roste.

Když se vezmou různé typy higgsova rozpadu a výsledky obou experimentů dohromady, tak spolu velice dobře souhlasí a vzájemně se podporují. Taková „integrovaná“ analýza vede k pravděpodobnosti existence higgse oceněné hodnotou okolo 3,5 sigma. Důležitým faktem také je, že pozorovaná pravděpodobnost vzniku higgse s takovou hmotností velmi dobře odpovídá standardnímu modelu.

Pozorované rozdělení případů dvojic fotonů gama v závislosti na vypočítané hmotnosti. (Zdroj prezentace Fabioli Gianottiové).

Závěr

Data získaná v předešlém a tomto roce umožnila provést intenzivní analýzu hledající známku existence Higgsova bosonu. Experimentům ATLAS a CMS umožnila zúžit oblast možné hmotnosti této částice na minimální rozpětí pouhých 11 GeV/c². Navíc se v této oblasti u hmotnosti 125 GeV/c² pozorují náznaky možné existence této částice. Tyto náznaky jsou však zatím nedostatečné, aby bylo možné existenci higgse definitivně potvrdit. Je však jasné, že podrobnější analýza již získaných dat a případně data získaná v příštím roce už otázku higgse rozřeší definitivně. Dá se předpokládat, že v této budoucí analýze budou mít rostoucí váhu vzácné případy s velmi nízkým pozadím, jako je třeba zmíněný zlatý kanál rozpadu higgse , u nichž i menší nárůst statistiky může věrohodnost existence higgse zvýšit výrazně. V případě, kdy je sice pravděpodobnost rozpadu higgse takovým způsobem relativně vysoká, ale zároveň se pozoruje velmi velké pozadí, už menší zvýšení statistiky příliš věrohodnost nezvětší. To je situace rozpadu higgse na dva fotony. V každém případě se v příštím roce už konečně rozluštění této tajenky dozvíme. Je třeba všem lidem pracujícím na LHC a jeho experimentech poděkovat a přát jim i v příštím roce hodně úspěchů. Já se zvláště těším na zpřesnění měření asymetrie mezi hmotou a antihmotou v rozpadech D0 mezonů experimentem LHCb. Jak bylo podrobně popsáno v předchozím článku, je to zatím největší vykročení do fyziky za standardním modelem a k vysvětlení přebytku hmoty nad antihmotou v našem vesmíru.

Kandidát na rozpad higgse do zlatého kanálu zaznamenaný experimentem CMS. (Zdroj prezentace Fabioli Gianottiové).

V Řeži 13. 12. 2011

---