Rozkladová analýza H → bb na detektoru ATLAS. (Atlas/CERN)

Ačkoli právě na dva spodní kvarky by se v LHC měl Higgsův boson rozpadnout se 60% pravděpodobností, ukázalo se, že je mimořádně obtížné to mezi velkým počtem částic, produkovaných vysoce energetickými proton–protonovými srážkami, zaznamenat.

Existenci Higgsova bosonu, předpovězeném již v roce 1964 britským fyzikem Petrem Higgsem, fyzici potvrdili až v roce 2012 právě díky energiím, na které LHC dokáže urychlit protony před jejich vzájemnými kolizemi. Higgsovo pole, a jeho reprezentant, Higgsův boson, hrají ve standardním modelu částicové fyziky zásadní roli. Je to v prostoru všudypřítomné a všude stejné skalární pole, jež se zrodilo z narušené symetrie v raném vesmíru. Elementární částice, jako jsou leptony, kvarky a bosony W a Z s Higgsovým polem interagují rozdílně, výsledkem čehož jsou jejich rozdílné hmotnosti.

Párování kvarků dovoluje, aby se Higgs rozpadl, kromě jiných způsobů, i na dva spodní kvarky b - nebo přesněji na spodní kvark a anti-spodní kvark. Tyto kvarky okamžitě vytvoří spršky částic, jež pak prolétají detektory projektu ATLAS. Analýza a vystopování rozpadu Higgsova bosonu je však složitější, než by se podle tohoto popisu mohlo jevit. Proton-protonové kolize v LHC totiž produkují obrovské množství párů spodních kvarků v procesech, které s Higgsovým bosonem nemají nic společného.

Aby z dat vyselektovali subtilní signál rozpadu právě Higgsova bosonu, fyzikové museli nejdříve přesně vypočíst všechny příspěvky z jiných procesů, z nichž pocházejí proudy detekovaných částic. Až to jim umožnilo potvrdit, že ATLAS naměřil nadměrný počet výtrysků částic s energiemi odpovídajícími rozpadu Higgsova bosonu na dva bottom kvarky. Ve výsledcích druhého cyklu LHC, kdy se protony sráželi s energií 13 TeV, tým detekoval stopy hledaného rozpadu páru spodních kvarků se statistickou významností 4,9 σ.

Feynmanovy diagramy pro 4 možné způsoby vzniku Higgsova bosonu.

Na ohlášení objevu v částicové fyzice je ale nutné dosáhnout hodnotu minimálně 5σ. Vědci se tedy zahloubali do výsledků předcházejícího experimentu, v němž se protony sráželi s energií 7 TeV. Analýzy jim umožnily zvýšit statistickou významnost na 5,4 σ a navíc potvrdit i teoretické předpovědi frekvence b-b rozpadů Higgse, vyplývající ze standardního modelu částicové fyziky.

Kombinace těchto výsledků s předcházejícími, které odhalily rozpad Higgsova bosonu, jehož střední doba „života“ je jenom 1,6×10⁻²² s, na dvojici fotonů, případně bosonů Z, umožňuje fyzikům se statistickou významností 5,3 σ prokázat, že při experimentech na LHC vznikají současně Higgsův boson a boson W, případně boson Z (W a Z zprostředkovávají slabou interakci). To znamená, že všechny čtyři primární způsoby produkce Higgsova bosonu byly při experimentech LHC pozorovány se statistickou významností nejméně 5σ.

Zdroj: PhysicsWorld