V tomto týdnu probíhá konference i na Matematicko fyzikální fakultě University Karlovy v Praze. Jde o každoroční konferenci SPIN, která se také věnuje novým výsledkům v oblasti částicové fyziky. Zejména zkoumání podstaty spinu částic, což je specifická kvantová vlastnost (blíže viz zde). V jejím prvním dni, v pondělí, se uskutečnila série přednášek věnovaných výsledkům jednotlivých experimentů pracujících na urychlovači LHC. Ovšem přednášející nesměli ani naznačovat výsledky, které se měly prezentovat na dnešním očekávaném semináři v laboratoři CERN. I to svědčí o tom, jak media ovlivňují nejen celou společnost, ale i vědeckou komunitu, ale také o tom, že informace se dnes šíří opravdu přímo rychlostí světla, často i doslovně. Určitý náznak, jaké budou ty prezentované výsledky, nabízí fakt, že v průběhu letošního dubna až června se podařilo získat větší statistiku dat než za celý minulý rok provozu. Další indicií bylo, že všechny zveřejněné výsledky velmi přesně potvrzovaly předpovědi standardního modelu hmoty a interakcí. Naopak se nepotvrzují jisté náznaky existence nové fyziky za standardním modelem, které se objevily v datech získaných experimenty na urychlovači Tevatron, jehož provoz byl nedávno ukončen. Nepozorují se zatím žádné známky nových částic nebo jevů, jež by podporovaly nějaké nové teorie za standardním modelem.
Koncem roku 2011 se v získaných datech experimentů ATLAS a CMS podařilo pozorovat náznaky existence higgsova bosonu v oblasti klidové energie okolo 126 GeV (viz zde). To je hmotnost zhruba 133krát větší než hmotnost protonu. Podobné náznaky se objevují i při pečlivé analýze dat, které získal urychlovač Tevatron (viz zde). Naznačovanou hmotnost higgse potvrzují i nepřímé indicie založené na velmi přesném určení hmotnosti bosonu W získané z dat obou experimentů, které na urychlovači Tevatron pracovaly (viz zde). A právě ověření těchto náznaků bylo letošním hlavním úkolem fyziků zmíněných dvou experimentů na LHC. O tom jak LHC a jeho experimenty vypadají (viz zde).
Proč je tak důležitá statistika
Nové částice, které experimenty na urychlovači LHC hledají a z nichž nejznámější je higgs, žijí jen velice krátce a rychle se rozpadají na jiné. Některé z těchto sekundárních produktů se ještě před tím, než stihnou doletět k detektorům, rozpadnou také. Fyzikové se proto zaměřují na identifikaci příslušných skupin částic produkovaných v rozpadu hledané nové částice, například higgse. Pokud jim jejich detektory pomohou správně zachycené částice určit a stanovit jejich energii a hybnost, lze na základě zákona zachování energie a hybnosti určit hmotnost původní částice, z rozpadu které sekundární částice pocházejí. Problémem je, že příslušné kombinace částic mohou vznikat i v rozpadech jiných částic a v jiných procesech. Vytváří se tak pozadí, na kterém je třeba příspěvek z rozpadů higgsů hledat. Pro danou hmotnost vypočítanou ze zachycených sekundárních částic je možné na základě standardního modelu předpovědět pravděpodobnost vzniku různých částic (tedy i hledaného higgse) a jejich různých rozpadů. To umožňuje posoudit, jak pozorování těmto předpovědím příspěvků pozadí i existence higgse odpovídá. Problém je, že pro rozeznání vlivu higgse a prokázání přebytku případů charakteristických pro danou hmotnost nad pozadím, nebo naopak pro vyloučení možné existence higgse, potřebujeme získat dostatečnou statistiku hledaných případů a tím i dostatečný počet srážek protonů. Produkce higgse má extrémně malou pravděpodobnost, a tak musí být počet srážek, jež mohou vést k jeho vzniku, extrémně velký.
Proč je Higgsův boson pro fyziky tak významný?
Ve standardním modelu je v části, která popisuje společně elektromagnetickou a slabou interakci, obsažen proces generující hmotnost u tří ze čtyř částic zprostředkujících tyto interakce. Jedinou částicí s nulovou klidovou hmotností, je dobře známý foton zprostředkující elektromagnetickou interakci. Třem zbylým – dvěma nabitým bosonům W+ a W- a neutrálnímu Z0 - hmotnost extrémně narostla až na přibližně devadesáti násobek hmotnosti protonu. Díky tomu je slabá interakce, kterou tato trojice bosonů zprostředkuje, extrémně slabá a má extrémně malý dosah. Higgsův mechanismus navržený skotským fyzikem Peterem Higgsem, který takové generování hmotnosti u částic popisuje, zároveň předpovídá existenci částice označované podle autora teorie jako Higgsův boson nebo prostě „higgs“. Je třeba zdůraznit, že Higgsův mechanismus vysvětluje generování hmotnosti ve světě částic jen z části. K vysvětlení hmotnosti v jiných případech je potřeba mít jiné mechanismy.
Higgsův mechanismus je nezbytnou součástí standardního modelu a higgs je tak poslední chybějící částicí tohoto modelu. Je tak přirozené, že pro fyziky je prokázání jeho existence veledůležitým cílem. Jeho neexistence by znamenala, že Higgsův mechanismus musí nahradit něco jiného, což by však už do standardního modelu nepatřilo a vedlo by nás přímo do nové fyziky.
Standardní model nepředpovídá hmotnost higgse, jen ji omezuje shora. Pokud ovšem předpokládáme danou hodnotu hmotnosti, dokáže standardní model předpovídat pravděpodobnost jeho vzniku při srážkách protonů s danou energii a pravděpodobnost rozpadu na danou kombinaci sekundárních částic. A ty se pak, jak bylo zmíněno, hledají v naměřených datech.
Výsledky pozorování
Nové výsledky experimentu CMS prezentoval Joe Incandela a za experiment ATLAS vystoupila Fabiolla Gianotti. V obou experimentech se při analýze nově získaných dat fyzikové soustředili na dva typy rozpadů. Stejné, ve kterých se náznaky higgse u energie 125 GeV objevily už při analýze dat z minulého roku. Prvním je rozpad na dva fotony gama s velmi vysokou energií. Druhým pak rozpad higgse na dva bosony Z. V tomto případě je třeba připomenout, že jeden z těchto Z musí být virtuální, protože klidová hmotnost dvou Z bosonů je větší než 125 GeV/c2. Oba Z bosony se mohou rozpadat na dva leptonové páry (buď mionů, nebo elektronu a pozitronu). A u tohoto typu rozpadu je pozadí velmi malé.
Analýza nových dat potvrdila přebytek případů pro uvedenou energii u obou experimentů a tím výrazně narostla pravděpodobnost, že se jedná opravdu o důkaz existence nové částice, jejíž vlastnosti jsou v souladu s tím, co pro klasického higgse předpovídá standardní model. Z pozorovaných rozpadů je jasné, že se jedná o boson. Jestli jde opravdu o standardního higgse, bude jasné až po podrobnější analýze pravděpodobností různých rozpadů i ve více kanálech rozpadu než jsou ty zde zmíněné dva.
Experiment CMS tak deklaruje, že pozoruje silného kandidáta na higgse s hmotností 125,5 GeV s nejistotou 0,6 GeV. Pozorování je na úrovni 4,9 sigma, což znamená, že pravděpodobnost, že zjištěný přebytek je projevem jen statistické fluktuace pozadí, je pouze miliontina. U experimentu ATLAS je určená hmotnost 126,5 GeV a pravděpodobnost, že přebytek nelze vysvětlit fluktuací statistiky, je také na úrovní pěti sigma.
Závěr
I prezentace posledních dat dvou experimentů CMS a ATLAS, které k hledání higgsova bosonu využívají srážky protonů na urychlovači LHC, naznačují, že pravděpodobnost existence nové částice s hmotností zhruba 126 GeV je velmi vysoká. Tato částice je bosonem a má vlastnosti odpovídající v rámci nejistot standardnímu higgsi. Zároveň byl higgs s jinou hmotností nezvratně vyloučen. Je teď téměř jisté, že pokud opravdu je pozorovaný přebytek se standardním higgsem spojen, bude jeho existence do konce roku nezvratně prokázána. Do té doby totiž bude možno z analýzy řady různých reakcí zjistit, zda jejich pravděpodobnosti vlastnostem standardního higgse odpovídají. Takový výsledek je obrovským vítězstvím standardního modelu. Stejně jako jeho potvrzování zmiňované na začátku článku. Na jedné straně je to fantastické. Na druhé straně i trochu frustrující, protože se nám do jisté míry vzdalují možnosti spatřit signály nové fyziky za tímto modelem. LHC je ale teprve na začátku dlouhé, velmi plodné dráhy a určitě se můžeme těšit na další objevy. Některé z těch exotických, které se před spuštěním LHC diskutovaly, jsou zmíněny v článku Ohrožuje spuštění LHC naši existenci?
Diskuze:
