Pierwsze obserwacje rzadkiego rozpadu bozonu Higgsa mogą wskazywać na istnienie cząstek nieznanych fizyce

Wielki Zderzacz Hadronów (LHC) w CERN pozwolił naukowcom na dokonanie przełomowych odkryć w fizyce cząstek elementarnych. To dzięki niemu udało się w 2012 r. potwierdzić istnienie bozonu Higgsa, nazywanego czasem "boską cząstką". Od tamtego czasu trwają intensywne badania jego właściwości. Zaowocowały one obserwacjami rzadkiego przypadku rozpadu bozonu Higgsa na bozon Z i foton, co może stanowić pośredni dowód na istnienie cząstek, których nie przewiduje Model Standardowy.

Podczas niedawnej konferencji Large Hadron Collider Physics (LHCP), naukowcy przedstawili pierwsze dowody na rzadki proces, w którym bozon Higgsa rozpada się na bozon Z oraz foton. Ten rozpad bozonu Higgsa może dostarczyć pośrednich dowodów na istnienie cząstek wykraczających poza te przewidywane przez Model Standardowy fizyki cząstek elementarnych. Modelu Standardowego fizycy używają do opisania wszystkich znanych cząstek elementarnych we Wszechświecie oraz sił, przez które oddziałują.

Rzadki proces udało się zaobserwować dzięki danym z lat 2015–2018 z dwóch eksperymentów przeprowadzonych w LHC o nazwach ATLAS i CMS.

Dalsza część artykułu pod materiałem wideo

Zgodnie z obowiązująca wiedzą, bozon Higgsa może rozpadać się albo na dwa fotony, albo na bozon Z i foton. Model Standardowy przewiduje, że jeśli bozon Higgsa ma masę 125 gigaelektronowoltów, to w około 0,15 proc. przypadków powinien rozpaść się na na bozon Z (elektrycznie obojętny nośnik oddziaływań słabych) i foton (nośnik oddziaływań elektromagnetycznych).

Istnieją jednak teorie uzupełniające czy wykraczające poza Model Standardowy, które wskazują na inną częstotliwość podobnych zdarzeń. Zakładają one, że rozpad bozonu Higgsa na bozon Z i foton nie przebiega bezpośrednio. W procesie tym mają uczestniczyć "wirtualne" cząstki, które pojawiają się i znikają, przez co nie można ich łatwo wykryć. Te tajemnicze cząstki nie są przewidziane w "standardowej" fizyce.

Gdyby zatem okazało się, że więcej lub mniej, niż 0,15 proc. bozonów Higgsa ulega rozpadowi na bozon Z oraz foton, wskazywałoby to na istnienie nieznanych procesów fizycznych wykraczających poza Model Standardowy lub na nieznane właściwości "boskiej cząstki". To dlatego naukowcy tak uważnie przyglądają się zjawisku.

Naukowcy pracujący przy projektach ATLAS i CMS już wcześniej poszukiwali dowodów na rozpad bozonu Higgsa na bozon Z i foton. W tym celu próbowali zidentyfikować występowanie bozonu Z i jego rozpad na pary elektronów lub mionów. Jednak dane nie były dokładne, ponieważ rozpad bozonu Z następuje jedynie w 6,6 proc. przypadków, co w połączeniu z jego niezwykle rzadkim występowaniem (0,15 proc. rozpadów bozonu Higgsa) bardzo utrudniało wykrycie całego procesu.

W nowym badaniu eksperci z ATLAS i CMS połączyli siły, aby szanse na obserwacje tego specyficznego rozpoadu bozonu Higgsa. Do analizy danych zebranych jeszcze w latach 2015-2018 wykorzystano także sztuczną inteligencję. Współpraca zaowocowała znacznym zwiększeniem precyzji statystycznej wyników i pierwszym dowodem na rozpad bozonu Higgsa na bozon Z i foton.

Uzyskane dane wskazują, że rozpad na bozon Z i foton może następować częściej, niż przewiduje to Model Standardowy. Jednak naukowcy podkreślają, że do wyników wciąż należy podchodzić ostrożnie, bo nie są one w pełni dokładne i wymagają dalszej weryfikacji. Badacze mają nadzieję, że nowe możliwości LHC już wkrótce pozwolą na bardziej precyzyjne obserwacje.

LHC to najpotężniejszy na świecie akcelerator, umieszczony w kolistym tunelu 100 metrów pod ziemią. Składa się z 27-kilometrowego pierścienia magnesów z szeregiem struktur przyspieszających. Umożliwia zderzanie ze sobą cząstek poruszających się z ogromnymi prędkościami. Wyniki zderzeń rejestrowane są przez szereg detektorów cząstek elementarnych, w tym dwa duże: ATLAS i CMS. Uruchomienie LHC pozwoliło na dokonanie przełomowych eksperymentów w fizyce m.in. odkrycie bozonu Higgsa czy pentakwarków.

Źródło i fot.: CERN