23.02.2021

Nowe dowody na rzadki rozpad bozonu Higgsa w eksperymencie ATLAS


Sferyczna cząsteczka rozpada się. Z jednej strony cząsteczki wychodzą dwie cienkie czerwone linie prezentujące kierunek odlatujących mionów. Czerwone linie przechodzą przez trzy różnej wielkości oddalone od cząsteczki prostopadłościany. Z przeciwnej strony zielonym kolorem zaprezentowano zielony obszar sąsiadujący z cząsteczką. Obszar symbolizuje foton.

Wizualizacja przypadku kandydującego do rozpadu Higgsa na dwa miony (czerwone linie) oraz foton (zielony obszar po lewej) w eksperymencie ATLAS; źródło: https://cerncourier.com/

Naukowcy prowadzący badania w ramach eksperymentu ATLAS na Wielkim Zderzaczu Hadronów (Large Hadron Collider, LHC) w CERN ogłosili dowody na jeden z najrzadszych rozpadów bozonu Higgsa zaobserwowanych do tej pory na LHC. Zachodzi on raz na 10 000 rozpadów. W badania te bezpośrednio zaangażowany był dr inż. Mateusz Dyndał z Wydziału Fizyki i Informatyki Stosowanej.

Od czasu odkrycia bozonu Higgsa w 2012 r. naukowcy z detektorów ATLAS i CMS wchodzących w skład Wielkiego Zderzacza Hadronów intensywnie pracują nad scharakteryzowaniem jego własności i szukają różnych sposobów rozpadu tej efemerycznej cząstki. Od częstych, ale trudnych eksperymentalnie podziałów na kwarki b, po niezwykle rzadkie rozpady na cztery leptony – każdy z nich oferuje inny sposób badania własności bozonu Higgsa. W eksperymencie ATLAS znaleziono pierwsze dowody na rozpad bozonu Higgsa na dwa leptony (parę elektronów lub mionów o przeciwnych ładunkach) i jeden foton. Jest to tzw. rozpad Dalitza – jeden z najrzadszych rozpadów bozonu Higgsa zaobserwowanych w LHC.

Fizycy z eksperymentu ATLAS przeszukali cały zestaw danych z okresu pracy LHC znanego pod nazwą „Run 2” (lata 2015–2018) w poszukiwaniu zdarzeń z fotonem oraz dwoma leptonami, których masa niezmiennicza była mniejsza niż 30 GeV. W tym obszarze rozpady z wirtualnymi fotonami powinny dominować nad innymi procesami, które dają ten sam stan końcowy. ATLAS zmierzył sygnał bozonu Higgsa, który okazał się 1,5 ± 0,5 razy większy od przewidywań Modelu Standardowego. Szansa, że zaobserwowany sygnał był spowodowany fluktuacją w tle wynosi 3,2 sigma, czyli mniej niż 1 na 1000.

Przy ogromnej ilości danych, jakich można się spodziewać z nadchodzącego projektu High-Luminosity LHC, badanie rzadkich rozpadów bozonu Higgsa stanie się nową normą. Pozwoli to fizykom na przejście od zwykłego przedstawiania dowodów na ich istnienie do potwierdzania wcześniejszych obserwacji i prowadzenia szczegółowych badań dotyczących własności bozonu Higgsa, co w konsekwencji prowadzić będzie do jeszcze bardziej rygorystycznych badań Modelu Standardowego.

Zaobserwowanie rozpadu bozonu Higgsa na foton i parę leptonów umożliwi fizykom badanie symetrii ładunkowo-przestrzennej (Charge-Parity Symmetry, CP). Symetria CP polega na tym, że lustrzane odbicie oddziałujących cząstek, gdzie cząstki są zastępowane przez swoje antycząstki, powinno wyglądać dokładnie tak samo jak pierwotne oddziaływanie. Takie było naturalne założenie do 1964 r., kiedy to fizycy badający kaony ze zdumieniem zauważyli, że w świecie fizyki cząstek elementarnych tak się nie dzieje. Od tamtego czasu fizycy dowiedzieli się, że naruszenie symetrii CP jest cechą oddziaływania elektrosłabego i włączyli je do Modelu Standardowego.

Ponieważ bozon Higgsa rozpada się na trzy cząstki, z których dwie są naładowane, fizycy będą mogli zbadać, czy rozpad ma preferowany kierunek – to z kolei pozwoli naukowcom lepiej zrozumieć przyczyny naruszenia symetrii CP, a może nawet da wskazówki dla nowej fizyki poza Modelem Standardowym.

Dr inż. Mateusz Dyndał podczas stażu naukowego w CERN w latach 2018–2020 był bezpośrednio zaangażowany w analizę danych przeprowadzonego eksperymentu. Naukowiec od grudnia 2020 r. realizuje na Wydziale Fizyki i Informatyki Stosowanej prestiżowy grant „Powroty” Narodowej Agencji Wymiany Akademickiej. Obszar jego badań obejmuje fizykę cząstek elementarnych, fizykę eksperymentalną i detektorową.

Grupa naukowców z Wydziału Fizyki i Informatyki Stosowanej jest członkiem eksperymentu ATLAS od początku, tj. od 1991 r., i odgrywa wiodącą rolę w analizie danych ze zderzeń ciężkich jonów oraz przypadków o dużych przerwach w pospieszności. Badacze z AGH są również zaangażowani w bieżącą obsługę i modernizację systemu wyzwalania oraz podsystemu detektora śladów eksperymentu ATLAS na etap zbierania danych High-Luminosity LHC (lata 2030+). W prowadzone w grupie badania zaangażowani są zarówno doktoranci, jak i studenci studiów I i II stopnia.

Więcej informacji w artykułach: