Το «σωματίδιο του Θεού» αποκαλύπτει ένα νέο μυστικό στον Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων του CERN

Περισσότερα από δέκα χρόνια μετά την ιστορική του ανακάλυψη, το μποζόνιο Higgs εξακολουθεί να αιφνιδιάζει τους φυσικούς. Ερευνητές της ATLAS Collaboration στο CERN ανακοίνωσαν ότι εντόπισαν ισχυρές ενδείξεις μιας εξαιρετικά σπάνιας διάσπασής του σε μιόνια, ενώ παράλληλα βελτίωσαν σημαντικά την ευαισθησία τους στην ανίχνευση μιας ακόμη πιο σπάνιας διάσπασης σε μποζόνιο Z και φωτόνιο. Τα αποτελέσματα παρουσιάστηκαν στο φετινό συνέδριο της European Physical Society on High Energy Physics (EPS-HEP), αποδεικνύοντας ότι η μελέτη του σωματιδίου που δίνει μάζα στην ύλη μόνο τελειωμένη υπόθεση δεν είναι.

Από το 2012, όταν το LHC αποκάλυψε για πρώτη φορά την ύπαρξη του μποζονίου Higgs, η παγκόσμια επιστημονική κοινότητα έχει αφιερωθεί στη χαρτογράφηση των ιδιοτήτων του. Οι νέες μετρήσεις επικεντρώθηκαν σε δύο εξαιρετικά σπάνιες διεργασίες διάσπασης. Η πρώτη είναι η μετατροπή του Higgs σε ζεύγος μιονίων (H→μμ), που συμβαίνει μόνο σε μία στις 5000 περιπτώσεις. Παρά τη σπανιότητά της, η διαδικασία αυτή είναι κρίσιμη, γιατί δίνει στους φυσικούς την ευκαιρία να μελετήσουν πώς το μποζόνιο Higgs αλληλεπιδρά με τα σωματίδια δεύτερης γενιάς, ανοίγοντας δρόμο για κατανόηση του μηχανισμού απόκτησης μάζας σε διαφορετικές κατηγορίες σωματιδίων.

Η δεύτερη διεργασία είναι η διάσπαση σε ένα μποζονίου Z και ένα φωτόνιο (H→Zγ), με το Z να καταρρέει στη συνέχεια σε ζεύγος ηλεκτρονίων ή μιονίων. Το ενδιαφέρον εδώ είναι ότι η διαδικασία δεν γίνεται απευθείας, αλλά μέσω ενός «βρόχου» εικονικών σωματιδίων. Αν σε αυτόν τον βρόχο συμμετέχουν άγνωστα σωματίδια, η διάσπαση μπορεί να αποκαλύψει νέα φυσική, πέρα από τα όρια του Καθιερωμένου Μοντέλου.

Η ανίχνευση αυτών των διασπάσεων μοιάζει με αναζήτηση βελόνας στα άχυρα. Στην περίπτωση H→μμ, οι επιστήμονες έπρεπε να εντοπίσουν μια μικρή περίσσεια γεγονότων γύρω από την ενέργεια των 125 GeV, τη γνωστή μάζα του Higgs. Το σήμα αυτό κινδυνεύει να χαθεί μέσα σε χιλιάδες ζεύγη μιονίων που παράγονται από άλλες διεργασίες. Ακόμη πιο δύσκολη είναι η διάσπαση H→Zγ, αφού το μποζόνιο Z μετατρέπεται σε ανιχνεύσιμα λεπτόνια μόλις στο 6% των περιπτώσεων, ενώ οι συνθήκες λειτουργίας του LHC στη φάση Run 3 περιλαμβάνουν περισσότερες επικαλυπτόμενες συγκρούσεις, γεγονός που επιτρέπει σε εκρήξεις σωματιδίων να μιμηθούν πραγματικά φωτόνια.

Για να ξεπεράσουν αυτά τα εμπόδια, οι ερευνητές του ATLAS συνδύασαν τα δεδομένα της τριετίας 2022–2024 (Run 3), συνολικού όγκου 165 fb-1, με εκείνα του Run 2 (2015–2018), που αντιστοιχούν σε 140 fb-1. Παράλληλα, ανέπτυξαν νέα μοντέλα για τον καλύτερο υπολογισμό των «θορύβων», κατηγοριοποίησαν τα γεγονότα ανάλογα με τον τρόπο παραγωγής του Higgs και βελτίωσαν τις τεχνικές επιλογής συμβάντων, ώστε να αυξήσουν τις πιθανότητες ανίχνευσης πραγματικών σημάτων.

Τα αποτελέσματα δεν άργησαν να φανούν. Στις προηγούμενες αναλύσεις του Run 2, η ομάδα του ATLAS είχε εντοπίσει μόνο μια πρώτη αδύναμη ένδειξη για το H→μμ, σε επίπεδο δύο στατιστικών αποκλίσεων. Αντίστοιχα, η CMS είχε φτάσει σε επίπεδο τριών αποκλίσεων. Με το νέο, ενισχυμένο σύνολο δεδομένων, η ATLAS κατάφερε να φτάσει σε παρατηρούμενη στατιστική σημαντικότητα 3,4 αποκλίσεων – δηλαδή, η πιθανότητα το σήμα να είναι τυχαίο δεν ξεπερνά το 1 στις 3000. Για τα δεδομένα της Σωματιδιακής Φυσικής, αυτό ισοδυναμεί με πραγματική ανακάλυψη.

Όσον αφορά το H→Zγ, η εικόνα είναι πιο σύνθετη. Στο παρελθόν, μια κοινή ανάλυση ATLAS και CMS είχε αναδείξει ενδείξεις με σημαντικότητα 3,4 αποκλίσεων. Στη νέα φάση, η ATLAS κατέγραψε μια περίσσεια 2,5 αποκλίσεων σε σχέση με το αναμενόμενο υπόβαθρο. Παρότι η στατιστική δύναμη δεν είναι τόσο ισχυρή όσο στην πρώτη περίπτωση, η μελέτη αυτή θεωρείται η πιο ευαίσθητη μέχρι σήμερα στην προσπάθεια μέτρησης της πιθανότητας αυτής της σπάνιας διάσπασης.

Η επιτυχία αποδίδεται στον τεράστιο όγκο δεδομένων που παρέχει ο LHC (Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων), στην αξιοπιστία του πειράματος ATLAS και στη χρήση καινοτόμων μεθόδων ανάλυσης. Οι Φυσικοί επισημαίνουν ότι με περισσότερα δεδομένα από τις επόμενες φάσεις λειτουργίας, θα μπορέσουν να προχωρήσουν ακόμη πιο βαθιά στην κατανόηση του μποζονίου Higgs και να ελέγξουν εάν όσα προβλέπει το Καθιερωμένο Μοντέλο επιβεβαιώνονται πλήρως ή αν ανοίγεται ο δρόμος για νέα Φυσική.

[via]