Fizycy z CERN-u szukają par bozonów Higgsa

Odnalezienie bozonu Higgsa było tak skomplikowanym zadaniem, że specjalnie w tym celu zbudowano Wielki Zderzacz Hadronów. A skoro było to takie trudne, wyobraźmy sobie, jak wielkim wyzwaniem musi być zarejestrowanie dwóch bozonów Higgsa w tym samym miejscu. Jeśli udałoby się znaleźć pary bozonów Higgsa, możliwe byłoby zbadanie interakcji interakcji obu cząstek. Przypuszczają bowiem, że to podstawowy element Modelu Standardowego, łączącego mechanizm Higgsa ze stabilnością wszechświata.

Pary bozonów Higgsa powstają prawdopodobnie 1000-krotnie rzadziej niż pojedyncze bozony. Jak jest to rzadkie wydarzenie, niech świadczy chociażby fakt, że podczas 1 sekundy w LHC dochodzi do 40 milionów zderzeń cząstek. Tymczasem podczas całej trzyletniej (2015–2018) 2. kampanii badawczej (Run 2) LHC prawdopodobnie zarejestrował zaledwie kilku tysięcy par bozonów Higgsa. Naukowcy stoją przed wyzwaniem polegającym na wyodrębnieniu z gigantycznej ilości danych powstających w ciągu 40 milionów zderzeń na sekundę, tych kilku tysięcy sygnałów, które mogły pojawić się w ciągu trzech lat pracy akceleratora.

Badacze pracujący przy eksperymencie ATLAS opublikowali właśnie wyniki najbardziej szczegółowych poszukiwań par bozonów Higgsa i dowodów na wzajemne splątanie tych cząstek. Opierali się przy tym na pięciu badaniach prowadzonych nad parami Higgsa podczas Run 2. Ich analiza obejmuje ponad połowę wszystkich potencjalnych sygnałów świadczących po pojawieniu się poszukiwanych par.

Każde z pięciu wspomnianych badań brało pod uwagę inny typ rozpadu pary bozonów. Najbardziej prawdopodobnym typem jest rozpad pary na cztery kwarki b (kwarki niskie, kwarki piękne). Jednak cztery kwarki b mogą pojawiać się też w procesach związanych oddziaływaniami silnymi (chromodynamiką kwantową), trudno więc odróżnić od siebie źródła takich grup kwarków.

Rozpad pary Higgsa na dwa kwarki b oraz dwa leptony tau jest mniej „zanieczyszczony” innymi procesami, ale ma miejsce 5-krotnie rzadziej niż wcześniej opisany typ rozpadu. Ponadto pojawiają się w nim neutrina, których nie można zarejestrować, a to znakomicie utrudnia rekonstrukcję tego rozpadu. Pary mogą się rozpadać też na wiele leptonów, ale sygnatura takiego rozpadu jest bardzo skomplikowana. Inne zaś typy rozpadu mają co prawda wyraźne sygnatury, ale są niezwykle rzadkie.

Autorzy analizy stwierdzili na przykład, że maksymalne tempo powstawania par bozonów Higgsa nie przekracza 2,9-krotności przewidywań Modelu Standardowego. Uściślili też parametry związane ze splątaniem bozonów i stwierdzili, że są one zgodne z przewidywaniami Modelu Standardowego.

Obecnie naukowcy zajmują się analizą danych z rozpoczętej w 2022 roku 3. kampanii badawczej LHC. Mają nadzieję, że udoskonalony akcelerator pozwoli na zdobycie dowodów na istnienie par bozonów Higgsa.

Fizycy z CERN-u szukają par bozonów Higgsa