Zvětšit obrázek

Vznik a zánik virtuální dvojice t a b kvarků i virtuálního higgse v případě W bosonu (zdroj APS physics, Robert Garisto).

V nedávné době se díky výsledkům hledání přímých rozpadů Higgsova bosonu podařilo velice významně zmenšit rozsah jeho možných hmotností. Výsledky, které získaly experimenty ATLAS a CMS využívající srážky urychlovače LHC (zde) jsou v dobré shodě s výsledky analýzy dat experimentů CDF a D0 (DZero), dvou velkých mezinárodních experimentálních projektů, které dlouhodobě (CDF 25 a D0 18 let) probíhaly na urychlovači Tevatron, jehož činnost byla v minulém roce ukončena. Oba experimenty spolu s těmi předchozími, využívajícími srážeč elektronů a pozitronů LEP, vyloučily všechny hmotnosti kromě oblasti mezi 115 až 127 GeV/c². Připomeňme, že energie odpovídající podle známého Einsteinova vztahu hmotnosti protonu je něco méně než 1 GeV. Jak evropské, tak americké experimenty pozorují přebytek případů nad pozadím standardního modelu, což může být náznakem existence higgse s hmotností zhruba 125 GeV/c². Tato pozorování však zatím nejsou statisticky nezpochybnitelná.

Zvětšit obrázek

Ke kalibraci a kontrole práce detektoru elektronů a pozitronů byl využíván rozpad Z bosonu na pár elektron - pozitron. Hmotnost Z bosonu je totiž velice přesně určena v řadě předchozích experimentů. Na obrázku je pík vytvořený Z bosonem ve spektru hmotností získaném z rozpadů na elektron a pozitron. Jeho šířka je dána dobou jeho života a Heisenbergovým principem neurčitosti. Červeně jsou zobrazená data a modře Monte Carlo simulace. (Zdroj: PRL 108, 151804 (2012))

Hmotnost higgse se však dá určit i nepřímo pomocí velice přesného měření hmotnosti nabitého W bosonu, který zprostředkovává spolu s neutrálním Z bosonem slabou interakci. Jeho hmotnost přesahuje hmotnost osmdesáti protonů. Během své existence může tento boson emitovat a pohlcovat virtuálního higgse. Tato možnost je důsledkem kvantových vlastností mikrosvěta, které umožňují na jistý striktně omezený časový okamžik porušovat zákony zachování energie. Takže může vzniknout částice, pro kterou není dostatek energie. Ta však musí po svém vzniku velice rychle zaniknout. Doba její existence i pravděpodobnost jejího vzniku je dána její hmotností. V okolí částic tak mohou vznikat a zanikat virtuální částice. Tyto jevy silně souvisí s vlastnostmi vakua a podrobněji jsou popsány zde.

Vznikání a zanikání virtuálních higgsů související s existencí W bosonu ovlivňuje velikost jeho hmotnosti. Tak lze hmotnost higgse dedukovat i z hmotnosti W bosonu. Ten může kreovat a pohlcovat i další virtuální částice, například dvojici t a b kvarku, což má pochopitelně také vliv na jeho hmotnost. Přesnost určení hmotnosti higgse z hmotnosti W bosonu je tak závislá i na přesnosti naší znalostí hmotností kvarků. Nejméně je známa hmotnost nejtěžšího t kvarku, jež má ale i největší vliv. A právě experimenty Tevatronu hmotnost tohoto kvarku určovaly prozatím nejpřesněji.

Zvětšit obrázek

Jedna ze tří kinematických veličin, jejichž rozdělení se využilo k určení hmotnosti W bosonu. Červeně jsou zobrazená data a modře Monte Carlo simulace. (Zdroj: PRL 108, 151804 (2012))

Nyní stejné skupiny publikovaly zatím nejpřesnější měření hmotnosti mezonu W. Tým experimentu D0 zkoumal rozpady W bosonu na elektron (pozitron) a antineutrino (neutrino). Z dat získaných v letech 2006 až 2009 se mu podařilo velice pečlivou a náročnou analýzou získat přes 1 600 000 takových případů. Experiment CDF pak studoval nejen tyto rozpady (získal zhruba 470 000 případů), ale také rozpady na mion a odpovídající neutrino (přes 620 000 případů). Analýza takových případů je komplikovanější, protože lze zachytit a přesně změřit parametry pouze u nabitého leptonu (elektronu, pozitronu nebo mionu), neutrino detektory nezachytí. Parametry této částice se musí zjistit z kinematiky reakce (zákonů zachování hybnosti a energie). Extrémně důležité je tak velice přesné měření energie elektronů, pozitronů a mionů. Kalibrace využívaných detektorů se prováděla a kontrolovala pomocí měření hmotnosti Z bosonu. Její přesná hodnota je známa z literatury, je tak možno ji využít pro velmi přesnou kalibraci detekčního systému.

Experiment D0 určil hodnotu hmotnosti W bosonu na 80,367±0,013±0,022 GeV/c², kde první nejistota je statistická a druhá systematická. U experimentu CDF fyzikové došli k hodnotě  80,387±0,012±0,015 GeV/c². Společná analýza dat z obou experimentů pak dává hodnotu 80,375±0,011±0,020 GeV/c². Dominantní část nejistoty je dána statistikou získaných případů rozpadů W bosonu na lepton a neutrino a v systematické chybě velkou část tvoří přesnost kalibrace detektorů daná statistikou případů rozpadů Z bosonů na pár elektron a pozitron nebo mion a antimion. U obou experimentů je ještě část do konce nezanalyzovaných dat, a tak je možné v budoucnu očekávat další zlepšení přesnosti určení hmotnosti bosonu W.

Zvětšit obrázek

Graf vymezující možné oblasti hmotností W bosonu, t kvarku a higgse. Na ose x je hmotnost kvarku t, na ose y hmotnost W bosonu. Oblast možných hmotnosti těchto částic leží uvnitř oranžové elipsy. V grafu jsou zelenou barvou ukázány oblasti hmotnosti higgse, které nejsou ještě vyloučeny přímým hledáním jeho rozpadu na urychlovačích LHC a Tevatron. (Zdroj: PRL 108, 151804 (2012))

Z uvedeného rozmezí hmotností W bosonů získaného v popisovaných měřeních lze obdržet omezení na hmotnost higgse. Ten podle nich musí být lehčí než 145 GeV/c², což je ve velmi dobré shodě s výsledky přímého hledání rozpadů higgse. Oproti původnímu limitu získaného z analýzy předchozích nejlepších světových měření jde o slušné zpřesnění, původní horní hranice hmotnosti higgse určená z hmotnosti W bosonu byla 158 GeV/c².

 I tato měření ukazují, že se smyčka okolo higgse utahuje a že fyzikové z Tevatronu i po jeho uzavření ještě pořád neřekli ani v případě této hledané částice poslední slovo. Stále mají jistý náskok v podobě velmi komplexních analýz vyžadujících co nejpřesnější kalibrace detektorů, kde se projevuje výhoda toho, že se svými detektory pracují a analyzují jejich data mnohem déle než fyzikové na experimentech využívajících urychlovač LHC. V každém případě je stále jasnější, že se situace okolo higgse vyřeší do konce tohoto roku. Podrobnější informace o popisovaných nových výsledcích lze najít v původních článcích (zde a zde).

Poznámka: Pro podrobnější studium: Combined CDF and D0 Search for Standard Model Higgs Boson Production with up to 10.0 fb−1 of Data

Zajímavá lekce angličtiny s jaderným fyzikem Donem Lincolnem z Fermilabu: