Bozon Higgsa wydaje się nie zawierać śladów nowej fizyki

Zmarły początkiem kwietnia fizyk Peter Higgs w 1964 roku zaproponował istnienie nowej cząstki. Wysunął teorię, że musi istnieć cząstka subatomowa, która wyjaśniałaby, w jaki sposób inne cząstki zyskują masę. W 2012 roku w Wielkim Zderzaczu Hadronów (LHC) udało się wykryć taką cząstkę, która zaczęto nazywać bozonem Higgsa lub "boską cząstką".

Od czasu jego odkrycia fizycy starają się jak najdokładniej poznać właściwości tej bardzo ważnej cząstki elementarnej. Zadanie to jest niezwykle trudne zarówno ze względu na wyzwania eksperymentalne, jak i liczne przeszkody obliczeniowe.

Dalsza część artykułu pod materiałem wideo

Uważa się, że odkrycie bozonu Higgsa było największym odkryciem dokonanym w Wielkim Zderzaczu Hadronów. Nagrodzone Noblem osiągnięcie tłumaczy m.in. istnienie masy. Bozon Higgsa to fundamentalny element Modelu Standardowego - zbioru teorii opisujących podstawowe elementy budowy Wszechświata.

Model Standardowy to jedna z najważniejszych teorii we współczesnej fizyce. To ramy teoretyczne opisujące naturę na jej najbardziej podstawowym poziomie. Naukowcy używają go do opisania wszystkich znanych cząstek elementarnych we Wszechświecie oraz sił, przez które oddziałują.

Model zaczęto rozwijać jeszcze w latach 70. ubiegłego wieku. Jednak naukowcy mają świadomość, że jest on ograniczony i chociaż jest naszym najbardziej wszechstronnym i dokładnym modelem dla fizyki cząstek elementarnych, zawiera luki, przez co nie jest w stanie wyjaśnić wszystkiego, chociażby grawitacji czy tego, z czego składa się ciemna materia lub dlaczego we Wszechświecie obserwujemy o wiele więcej materii niż antymaterii.

Naukowcy poszukują cząstek zachowujących się w inny sposób, niż można by się spodziewać po przewidywaniach Modelu Standardowego, aby móc wyjaśnić niektóre z tych tajemnic. Mieli nadzieję, że to właśnie bozon Higgsa pozwoli na rozszerzenie Modelu Standardowego. Ale cząstka ta okazała się tak trudna do wygenerowania i obserwacji, że mimo 12 lat badań jej właściwości wciąż nie zostały poznane z zadowalającą dokładnością.

W niedawno opublikowanych pracach grupy fizyków z Instytutu Fizyki Jądrowej Polskiej Akademii Nauk (IFJ PAN) w Krakowie, RWTH Aachen University oraz Max-Planck-Institut für Physik (MPI) z Garching koło Monachium nieco dokładniej opisano właściwości bozonu Higgsa. Ustalenia te sugerują, że w obrębie badanych mechanizmów odpowiedzialnych za powstawanie bozonów Higgsa nie widać zwiastunów nowej fizyki.

Wyniki i opis badań ukazał się na łamach pisma "Physical Review Letters" (DOI: 10.1103/PhysRevLett.132.211902).

- Dla fizyka jednym z najważniejszych parametrów związanych z każdą cząstkę elementarną czy jądrową jest przekrój czynny na określone zderzenie. Niesie on bowiem informację o tym, jak często możemy spodziewać się pojawienia danej cząstki w zderzeniach wybranego typu. My skoncentrowaliśmy się na teoretycznym wyznaczeniu wartości przekroju czynnego bozonów Higgsa w zderzeniach gluon-gluon. Są one odpowiedzialne za produkcję około 90 proc. higgsów, których ślady obecności zarejestrowano w detektorach akceleratora LHC - wyjaśnia w komunikacie opublikowanym na stronach IFJ PAN dr Rene Poncelet.

- Istotą naszych prac była chęć uwzględnienia przy wyznaczaniu przekroju czynnego na produkcję bozonów Higgsa pewnych poprawek, które z uwagi na pozornie niewielki wkład zazwyczaj są pomijane, ponieważ ich zignorowanie znacząco upraszcza obliczenia. Nam po raz pierwszy udało się pokonać trudności matematyczne i wyznaczyć te poprawki – zaznacza prof. Michał Czakon z RWTH.

"O tym, jak istotna jest rola poprawek wyższych rzędów dla zrozumienia właściwości bozonów Higgsa może świadczyć fakt, że wyliczone w artykule poprawki drugorzędowe, pozornie niewielkie, wnoszą niemal jedną piątą do wartości poszukiwanego przekroju czynnego. Dla porównania: poprawki trzeciego rzędu są na poziomie trzech procent (ale za to redukują niepewności obliczeniowe do zaledwie jednego procenta). Nowością w omawianym artykule było uwzględnienie wpływu mas kwarków pięknych, co doprowadziło do niewielkiego, ale zauważalnego dodatkowego przesunięcia wartości o około jeden procent. Warto w tym miejscu przypomnieć, że LHC zderza protony, a więc cząstki składające się z dwóch kwarków górnych i jednego dolnego. Chwilowa obecność we wnętrzach protonów kwarków o większych masach, takich jak kwark piękny, jest konsekwencją kwantowego charakteru oddziaływań silnych, wiążących kwarki w protonie" - czytamy w komunikacie.

Poncelet dodaje, że znalezione wartości przekroju czynnego oraz te zmierzone w LHC są właściwie takie same. Oczywiście przy uwzględnieniu niedokładności obliczeniowych i pomiarowych. - Wygląda więc na to, że w obrębie badanych przez nas mechanizmów odpowiedzialnych za powstawanie bozonów Higgsa nie widać zwiastunów nowej fizyki – przynajmniej na razie – podsumowuje.

W komunikacie IFJ PAN zaznaczono, że ustalenia te nie wykluczają nowej fizyki w zjawiskach towarzyszących narodzinom bozonów Higgsa. Na analizy czekają wyniki eksperymentów z czwartego cyklu badawczego Wielkiego Zderzacza Hadronów i mogą one wiele zmienić. Coraz liczniejsze obserwacje nowych zderzeń cząstek mogą pozwolić tak zawęzić niepewności pomiarowe, że zmierzony przedział dozwolonych wartości przekroju czynnego na produkcję bozonów Higgsa przestanie się pokrywać z wyznaczonym przez teorię.

Źródło: IFJ PAN, fot. IFJ PAN/ CC BY-SA