Fizycy: "zdjęcie" bozonu Higgsa już mamy, lecz jest dalekie od ideału

W piątek 4 lipca mijają dwa lata od ogłoszenia przez CERN, że w dwóch prowadzonych tam eksperymentach - ATLAS i CMS - zaobserwowano od dawna poszukiwaną cząstkę - bozon Higgsa. Obecnie eksperymenty w Wielkim Zderzaczu Hadronów (LHC) pod Genewą są wstrzymane. Trwają bowiem przygotowania, aby uruchomić to największe na Ziemi urządzenie badawcze z dwukrotnie większą energią i intensywnością zderzeń protonów. Ma to nastąpić na początku 2015 r. W rozmowie z PAP o badaniach nad cząstką Higgsa mówią fizycy z Narodowego Centrum Badań Jądrowych w Świerku - dr hab. Krzysztof Kurek i dr Michał Bluj.

Dr Michał Bluj, który brał udział w poszukiwaniu cząstki Higgsa, wyjaśnia, po co potrzebne są dalsze prace nad tą niezwykłą cząstką: „Można powiedzieć, że w LHC chcieliśmy zrobić \\'zdjęcie\\' pewnej osoby, której nie znamy. Fotografia już powstała, jednak postać na tym zdjęciu jest bardzo daleko, a oświetlenie słabe, więc zdjęcie jest niewyraźne. Z grubsza wygląda na to, że sportretowaliśmy tego, kogo szukamy: wzrost się zgadza, tusza również, chyba nosi okulary, ale koloru włosów nie jesteśmy jeszcze w stanie zobaczyć. Aby być do końca pewni czy to właściwa osoba, musimy wykonać więcej zdjęć w lepszym oświetleniu: może trzeba stanąć bliżej, może zrobić zdjęcie z profilu...” - tłumaczy badacz.

Wyjaśnia, że trzeba będzie sprawdzić, czy na takim „zdjęciu” nie został uwieczniony ktoś inny. Bo niektóre tworzone przez fizyków teorie zakładają istnienie „sobowtórów” bozonu Higgsa. Trzeba więc dokładnie sprawdzić jaki bozon Higgsa został odkryty. „Będziemy to badali pewnie przez najbliższą dekadę” - zaznacza dr Bluj.

Dr hab. Krzysztof Kurek opowiada, że bozon Higgsa stanowi kluczowy element teorii, która opisuje oddziaływania między cząstkami elementarnymi - tzw. modelu standardowego. Obecność cząstki Higgsa jest śladem mechanizmu Brouta-Englerta-Higgsa będącego sposobem pogodzenia istnienia masywnych cząstek z symetrią oddziaływań leżącą u podstaw teorii. „Model standardowy to najlepiej przebadana teoria, jaką udało się zbudować w historii ludzkości - zaznacza badacz. - Fizycy robili wszystko, by odkryć proces, który zaprzeczyłby modelowi. To jednak jeszcze nikomu się nie udało. Mechanizmy wbudowane w model standardowy działają świetnie - opisują tysiące zjawisk, reakcji i procesów z wielką precyzją. Ale do ostatecznego potwierdzenia tej teorii konieczne było odkrycie cząstki Higgsa” - mówi Krzysztof Kurek. „Można powiedzieć, że bozon Higgsa to zwornik w łuku podtrzymującym sklepienie modelu standardowego – dorzuca M. Bluj – bez niego gmach teorii nie może stać.”

Problem polegał jednak na tym, że masa cząstki Higgsa nie jest przez teorię przewidziana i nie wiadomo było, jak duża musi być energia zderzeń w akceleratorze, aby bozon się zmaterializował. Wiedziano tylko, że cząstki takie powinny mieć masę niższą niż ok. 1000 mas protonu, co zapewnia stabilność teorii. „Tymczasem energię kolejnych akceleratorów podnoszono, a cząstki Higgsa wciąż nie było. Nerwowość więc rosła” - mówi dr Kurek. Zaznacza, że zbliżano się niebezpiecznie do granicy, poza którą cząstki Higgsa nie byłoby już co szukać.

Dr Bluj przyznaje, że natura sprytnie ukryła bozon Higgsa. „Odkryliśmy go dopiero przy takiej masie, która jest najtrudniejsza dla eksperymentu” - przyznaje. Okazało się, że masa bozonu Higgsa jest całkiem spora - wynosi mniej więcej tyle co 130 mas protonu.

Dlaczego to było takie trudne? Dr Bluj wyjaśnia, że masywne cząstki, w tym bozon Higgsa, mogą zostać wyprodukowane w zderzeniach o wielkiej energii, jakie zachodzą w akceleratorach. Problem w tym, że w wyniku tego samego zderzenia mogą nastąpić różne reakcje bardziej prawdopodobne niż produkcja bozonu Higgsa – w LHC jest on produkowany tylko raz na ok. dziesięć miliardów zderzeń protonów. Co więcej, bezpośrednia obserwacja cząstki Higgsa nie jest możliwa – rozpada się ona błyskawicznie po swym powstaniu na inne, stabilne cząstki w charakterystyczny dla siebie sposób określony w teorii. To właśnie obserwacja takich charakterystycznych rozpadów za pomocą detektorów ATLAS i CMS przy LHC pozwoliła badaczom stwierdzić, że bozon Higgsa został wyprodukowany.

Dla masy przy której bozon Higgsa został odkryty liczba możliwych kanałów rozpadu jest największa co utrudnia poszukiwania. Dodatkowo większość z nich jest „zanieczyszczona” tłem od innych procesów „udających” rozpady b. Higgsa. Dr Bluj precyzuje, że do tej pory w LHC wyprodukowano ok. 500 tys. bozonów Higgsa w każdym z eksperymentów, ale tylko po ok. 20 z nich obserwowano w „złotych”, prawie pozbawionych tła, rozpadach na cztery leptony.

Liczba produkowanych cząstek Higgsa będzie większa po modernizacji akceleratora. Wtedy energia zderzeń ma być dwukrotnie wyższa. Oprócz energii zwiększona ma być dwukrotnie tzw. świetlność, czyli intensywność zderzeń. „Do tej pory zderzenia w LHC zdarzały się z częstotliwością 20 MHz (20 milionów razy na sekundę), a po nowym uruchomieniu będzie to 40 MHz” - informuje dr Bluj. Wyjaśnia, że wiązki protonów przyspieszane są akceleratorach w tzw. paczkach. W LHC po nowym otwarciu zwiększona ma być nie tylko liczba takich paczek na sekundę, ale i liczba protonów w paczce. Poza tym zderzenia mają być skuteczniejsze dzięki zmianie geometrii przecięć wiązek protonów. „Dzięki temu w ciągu trzech lat chcemy zebrać pięć razy więcej danych niż w latach 2011 i 2012” - podsumowuje dr Bluj.

Dr Kurek dodaje, że dzięki nowym danym fizycy chcą zdobyć wiedzę, która pozwoliłyby na rozszerzenie modelu standardowego i zaradzenie jego brakom. Powinno to doprowadzić do głębszego zrozumienia oddziaływań elementarnych i, co za tym idzie, warunków panujących we wczesnym Wszechświecie co wpływa na jego obecny kształt. Może się okazać, że jeśli nie zostaną zaobserwowane nowe cząstki, jedyną dostępną drogą do tego celu będzie szczegółowe badanie własności bozonu Higgsa. „Poza tym cały czas nie wiemy, czy bozon Higgsa to obiekt elementarny. Może on się składa z jakichś mniejszych obiektów?” - zastanawia się fizyk. „Cieszymy się, że w tym wyzwaniu wezmą udział polscy naukowcy” - kończy dr Bluj.

PAP - Nauka w Polsce, Ludwika Tomala

lt/ ula/