Шест година након што је Хигсов бозон откривен, коначно је уочено на који се начин распада на фундаменталне честице које су познате као bottom кваркови. Ово откриће су 28. августа у ЦЕРН-у представиле колаборације АТЛАС и ЦМС, две највеће међународне истраживачке групе које користе ЦЕРН-ов акцелератор, Велики сударач хадрона (LHC). Оба тима су истог дана предала и своје резултате за објављивање, а откриће је у складу са хипотезом да све-прожимајуће квантно поље Хигсовог бозона даје масу и поменутом ботом кварку.
Заправо, према Стандардном моделу физике елементарних честица, чак 60% времена Хигсов бозон се распада управо на пар ботом кваркова. Ови кваркови су други по маси међу шест врста, односно арома кваркова које – мада имају духовита имена (уп, даун, шарм, стрејнџ, топ, ботом) – граде сву познату материју.
Провера претпоставке да се Хигс распада на два ботом кварка је од кључног значаја за модерну физику јер резултати могу или да сасвим уздрмају садашње теорије и укажу на нову физику или да потврде Стандардни модел, који је заснован на идеји да Хигсово поље „даје“ масу кварковима и другим елементарним честицама. Међутим, уочавање овог стандардног канала на који се Хигсов бозон распада уопште није лако, као што се показало током шест година истраживања након открића Хигса.
Разлог за такве потешкоће је технички – Хигсови бозони који ће се распасти на ботом кваркове настају при снажним сударима убрзаних снопова протона у акцелератору, али при овим сударима дешава се и много других догађаја и има много других начина на који могу настати ботом кваркови. Због тога је тешко, услед таквог позадинског „шума“, изоловати сигнал овог распада Хигсовог бозона, мада се, насупрот томе, показало да је сасвим лако детектовати много ређе канале, као што је распад Хигса на два фотона.
Како би се издвојио сигнал, колаборације АТЛАС и ЦМС су укрштале податке из прве и друге фазе рада акцелератора ЛХЦ, што је укључивало сударе при енергијама од 7, 8 и 13 тераелектрон-волти (TeV). Након тога је примењена изузетно сложена статистичка анализа, да би на крају оба тима измерила брзину распада Хигса са великим статистичким нивоом поверења (већим од „5 сигма“).
Добијени резултати су у сагласју са предвиђањем Стандардног модела. „Ово мерење је прекретница у истраживању Хигсовог бозона“, рекао је портпарол АТЛАС колаборације, Карл Јакобс, додајући да је оно показало како су и АТЛАС и ЦМС достигли ниво дубоког разумевања својих података и контроле позадинских процеса. „Изврсне перфомансе акцелератора ЛХЦ уз модерне технике машинског учења омогућиле су нам да постигнемо овај резултат раније него што смо очекивали“, рекао је Џоел Батлер, портпарол ЦМС колаборације, додајући да су обе колаборације већ успеле да виде спрезање Хигса са тау честицама, топ кварком, а сада и са кварком ботом.
Са новим подацима, колаборације ће моћи да побољшају прецизност ових и других мерења и да крену и у потрагу за распадом Хигса на честице које се називају миони. „Ови дивни и неочекивано рано добијени резултати дају додатну мотивацију за наше планове да унапредимо ЛХЦ како бисмо суштински повећали статистику у истраживањима“, рекао је Ерхард Елсен, ЦЕРН-ов директор за истраживање и рачунарство.
Научници из Србије у потрази за особинама Хигсовог бозона
Текст објашњења др Петра Аџића, председника Комисије Републике Србије за сарадњу са ЦЕРН-ом
Ово значајно откриће којим се потврђује предвиђање интеракције Хигс бозона са b кварком, а које су недавно остварили физичари две највећа експримента данас: ATLAS и CMS у Европској организацији за нуклеарна истраживања ЦЕРН, представља изузетно достинуће и још један важан корак у разумевању понашања Хигс бозона на основу предвиђања Стандардног модела, владајуће теорије у свету елементарних чрестица. Резултати ова два експеримента званично су објављени 28. августа када су и послати на публиковање у један од водећих научних часописа Physical Review Letters.
Два тима српских истраживача који чине физичари из Института за физику (ATLAS) и физичари, инжењери и специјалисти из ИНН ВИНЧА и Физичког факултета (CMS), који активно учествују са својим колегама у истраживањима у оквиру ова два међународна експеримента, својим досадашњим радом дали су такође одговарајући допринос овом открићу.
Као што је познато, два међународна експеримента на Великом хадронском сударачу-LHC у ЦЕРН-у, ATLAS и CMS, објавили су независно 4. јула 2012. године историјско откриће Хигс бозона, тада једине честице која је недостајала у владајућој теорији Стандардни модел. Откриће Хигс бозона, на које се чекало скоро пола века пошто је први пут у овој теорији предвиђено његово постојање, а где су српски физичари дали директан и значајан допринос, изазвало је тада изузетну пажњу и одјек у готово свим државама света, док је у свим светским медијима то била прва и главна вест и догађај.
Пошто је регистровањем Хигс бозона потврђено да смо на правом путу у изучавању елементарних честица и интеракција које међу њима владају, започет је интензиван експериментални програм испитивања својстава Хигс бозона, пре свега изучавањем интеракција или како физичари кажу, спрезања ове честице са најмасивнијим честицама Стандардног модела. Како Хигс бозон, као и велики број ново-откривених честица врло кратко живи, његово присуство се експериментално потврђује на основу присуства других честица Стандардног модела из његовог распада.
У физици честица је познато да је брзина распада честице повезана директно са квадратом интензитета међусобног спрезања. С друге стране, интензитет спрезања Хигс бозона са фермионима (честицама половичног спина) је директно пропорционалан маси ових честица, због чега се очекује да ће најпре такво спрезање Хигс бозона бити регистровано у интеракцији са најмасивнијим честицама Стандардног модела. Најновији резултати два експеримента потврђују још једном ова предвиђања у чему је и њихов највећи значај.
После једнако значајног открића: спрезања Хигс бозона са најмасивнијом познатом честицом, t (топ) кварком (тежом и од Хигс бозона), а које је публиковано недавно такође у Physical Review Letters (PRL 120 (2018) 231801), међународне колаборације CMS и ATLAS данас објављују још једно успешно откриће: спрезање Хигс бозона са другим најмасивнијим кварком b (bottom). Како b кварк поседује масу мању од Хигс бозона, изучава се канал распада Хигс бозона на два b кварка (тј. пар кварк-антикварк). Иако је директан распад на пар b кваркова један од најчешћих и највероватнијих канала распада Хигс бозона, његово регистровање представља велики изазов, јер се одговарајући догађај (сигнал) тешко издваја, односно разликује од великог броја сличних фонских сигнала, због чега ово достигнуће добија на још већем значају.
Захваљујући изузетним карактеристикама дететкора (CMS и ATLAS) који су омогућили велику количину квалитетних експерименталних података, изванредним преформансама акцелераторског комплекса LHC, а посебно напредним и недавно развијеним техникама („Мachine learning techniques“) и методама анализе експерименталних догађаја, овај значајан канал распада Хигс бозона је успешно регистрован. У овом случају, комплексна анализа је била фокусирана на издвајање догађаја са тзв. придруженом продукцијом векторских бозона (W,Z) чији канали распада такође садрже b кваркове.
Основни циљ је редуковање фонских догађаја из којих би морали да буду издвојени тражени сигнали, а који су у односу фонске догађаје врло ретки. Како кварк не може да егзистира самостално, сигнал који садржи два b кварка се манифестује у виду два хадронска пљуска које физичари називају „млазњацима“ (jet). Ови млазњаци су углавном последица присуства кваркова и они се развијеним методама и техникама анализе ефикасно идентификују.
Коначно, регистровањем догађаја који потврђују спрезање Хигс бозона са три најмасивнија фермиона: b кварком, затим претходнoм потврдом спрезања са t кварком, као и раније регистрованим спрезањем са масивним тау лептоном, приоритетни програм истраживања у физици елементарних честица, тачније у Хигс сектору, добија нови замах.
Иако су резултати измерених спрезања Хигс бозона са најмасивнијим фермионима конзистентни и у сагласности са предвиђањима Стандардног модела, треба истаћи да се сада отвара простор за нова, прецизнија мерења која ће поред бољег разумевања особина Хигс бозона омогућити можда допринос нове физике.
Физичари се надају да ће још већа количина квалитетних експерименталних података сакупљених у ЦЕРН-у уз још боље преформансе детектора и акцелератора LHC, омогућити још прецизније изучавање тако да би боље познавање особина Хигса бозона могло да допринесе индикацији постојања нове физике, физике изван Стандардног модела.