Experimentul ATLAS de la CERN, un mare pas spre observarea bosonului Higgs

Doctor Adrian Buzatu:

Experimentul ATLAS de la CERN face un mare pas înainte spre observarea bosonului Higgs care se dezintegrează în doi quarci bottom (H->bb)

Joi 06 iulie 2017 s-a deschis pentru o săptămână la Veneția (Italia) cea mai mare conferința anuală europeană de fizica particulelor, EPS 2017.

Multe rezultate noi sunt anunțate de la laboratorul european de fizica particulelor, CERN, la care este membru plin și România din 2016.

Deja în prima zi a fost anunțată descoperirea de către experimentul LHCb a unei noi particule subatomice formată din trei alte particule mai mici denumite quarci.

Noutatea este că doi dintre aceștia sunt quarci charm.

Si masa particulei este exact unde au prezis-o doi cercetători israelieni în 2004.

Cu alte cuvinte, fizica particulelor elementare este solidă, teoria făcând predicții care sunt apoi confirmate solid de experiment.

O analiză frumoasă a rezultatului e oferită de Tommaso Dorigo in blogul Quantum Diaries.

Dar a mai fost anunțat un rezultat important, căruia îi este dedicat acest articol. Este vorba de experimentul ATLAS, tot de la CERN, care a făcut un pas important înaiinte spre observarea bosonului Higgs dezintegrându-se în doi quarci bottom (H->bb).

Despre ce este vorba? De ce este important? Ne confirmă sau infirmă teoria actuala a fizicii particulelor? Care sunt pașii următori? La aceste întrebări vom răspunde mai jos, introducând un pic istoricul acestei căutari, la care autorul acestui articol a contribuit timp de zece ani neîntrerupți.

Este imaginea unei fotografii făcută de detectorul ATLAS, care arată foarte mult cu a unui boson Higgs.

Ar putea fi un boson Higgs, dar nu putem fi încă siguri!

H->bb a marcat întreaga carieră de cercetare de cercetare a semnatarului acestui articol, întâi la experimentul CDF de la laboratorul american Fermilab, pe când era student la doctorat la universitatea McGill din Canada, iar apoi la experimentul ATLAS de la CERN, ca postdoctorat patru ani la Universitatea din Glasgow (Regatul Unit), iar in ultimul an la universitatea Tsinghua din Beijing (China) și institutul Academia Sinica din Taipei (Taiwan).

Bosonul Higgs este o particulă elementară prezisă cu jumătate de secol în urmă pentru a explica de ce particulele elementare deja cunoscute au masă, adica un numar de kilograme. Fără masă, particulele ar zbura mereu cu viteza luminii. Nu ar putea sta împreună să formeze atomi stabili. Asadar, molecule chimice, celule biologice și noi nu am exista. Problema originii masei este așadar legată direct de întrebarea filosofică de ce existăm? A durat jumătate de secol până la observarea experimentală a acestei particule elementare la laboratorul CERN, in 2012, simultan, de către experimentele ATLAS și CMS. Experimentul a confirmat teoria și credem că înțelegem originea masei. Premiul Nobel a fost acordat în anul imediat următor teoreticienilor care au prezis existența particulei: Peter Higgs și Robert Brout. O explicație de 16 minute video în limba engleză a rolului jucat de bosonul Higgs în existența noastră a fost oferită de autorul acestul articol la TEDxBucharest în 2015.

Dar oare s-a clarificat totul cu privire la originea masei și bosonul Higgs? Nu! Acest răspuns reușit al științei a generat noi întrebări. Există un singur boson Higgs, așa cum prezice teoria actuală, cea foarte de succes, denumită Modelul Standard? Sau există mai mulți bosoni Higgs, așa cum sugerează teorii care dezvoltă mai departe Modelul Standard? Teoreticienii știu ca Modelul Standard nu este complet, adică există fenomene în natură pe care acesta nu le explică, precum:

1) Dacă la începutul Universului au fost create cantități egale de materie și antimaterie, iar Universul actual e format 99% doar din materie, unde a dispărut antimateria?

2) Dacă în prezent se măsoare că doar 5% din Univers este formată din materie obișnuită, precum cea de pe Pamânt, planete și Soare, dar 25% este formată dintr-o formă de materie invizibilă (denumită materie neagră sau întunecată), din ce particule elementare este creată acestă materie neagră, cărei legi fizice i se supune? Mai rămâne și restul de 70%, care face ca Universul să se extindă tot mai rapid, accelerat, care pare a fi un fel de energie întunecată, despre care nu se știe nimic, nici măcar dacă este într-adevăr o formă de energie.

3) Cum se unifică într-o singură teorie toate cele patru forțe elementare din Univers (electromagnetică, slabă, tare și gravitațională)? Și mai sunt și alte întrebări ...

Așadar fizicienii de la CERN și de la alte laboratoare de fizica particulelor din lume caută asiduu în datele colectate de experimentele lor semne că ar exista particule elementare noi, sau moduri noi în care ele interacționează (adică noi forțe ale naturii), sau în general dovezi că particulele nu s-ar comporta exact așa cum prezice teoria Modelului Standard. Rezultă așadar un program susținut de a măsura tot ce se poate măsura și a compara fiecare rezultat experimental cu predicția sa teoretică. Nu e de mirare ca experimentele ATLAS și CMS de la CERN au fiecare în jur de trei mii de persoane, iar experimentul CMS cu în jur de șase sute este considerat un experiment mic!

Dar să revenim la bosonul Higgs! Acum că a fost descoperit în 2012, acesta devine o unealtă foarte utilă pentru a vedea dacă datele experimentale colectate susțin teoria din prezent, Modelul Standard, care prezice existența a unui singur boson Higgs, sau una din teoriile care merg dincolo de Modelul Standard, care prezic existența a cel puțin cinci bosoni Higgs. Din cei cinci, unul este prezis a avea proprietăți foarte asemănătoare, dar, esențial, nu identice, cu cele prezise de Modelul Standard. Rezultă ca trebuie colectate cantități tot mai mari de acest boson Higgs, iar proprietățile sale să fie studiate în mare detaliu. Iar acestea vor oferi indicii subtile daca proprietățile sunt cele din Modelul Standard, sau diferă foarte puțin, dar clar, dovedind o teorie dincolo de Modelul Standard și deci o revoluție în fizica particulelor elementare!

Aici intervine în scenă modul de dezintegrare a bosonului Higgs în doi cuarci bottom (H->bb). Bosonul Higgs este prezis de mecanismul care dă masa tuturor particulelor care au masă. Așadar, bosonul Higgs trebuie să se descompună în toate perechile de particulă și antiparticulă care au masă. Cat de des? Cu atât mai des într-o pereche cu cat masa particulei este mai mare. Zic masa particulei, caci masa unei particule de materie este egală cu masa unei particule de antimaterie, ele având sarcină electrică cu semn opus. Asfel, de fapt nu este doi quarci bottom, ci un quark bottom și un antiquark bottom.

Bosonul Higgs se descompune cel mai des, anume 58%, în doi quarci bottom! Căci cuarcul bottom este particula elementară cu masa cea mai mare din cele care au masa mai mică decât cea a bosonului Higgs! Dar acest mecanism de dezintegrare încă nu a fost observat și confirmat! Este important a o face, pentru ca apoi să se măsoare dacă într-adevar numărul obținut este în acord cu acest 58% prezis de teorie. Mici devieri ar sugera o fizică dincolo de Modelul Standard și ar fi o revoluție în fizica particulelor elementare!

Această analiză de date este foarte dificilă. Există și alte fenomene care nu sunt bosoni Higgs, ci obișnuite prodise de Modelul Standard, care produc cuarci bottom. Aceste fenomene reprezintă zgomot de fond (background) care bruiază cautarea semnalului nostru (signal, adica bosonul Higgs).

Până în 2012, singurul loc din lume unde se căuta bosonul Higgs erau experimenele CDF și DZero de la laboratorul american Fermilab. Fiecare căuta H->bb în trei moduri diferite. Autorul acestui articol a lucrat într-o echipă care a căutat într-unul din aceste trei moduri.

Din cele șase, teza sa de doctorat a obținut cel mai bun rezultat (și implicit din lume) la momentul respectiv (vara lui 2011).

Când cele șase analize au fost combinate într-un singur articol, s-a obținut pentru prima dată indicii puternice despre existența bosonului Higgs in general, si despre H->bb în particular. Indicii puternice (evidence for) înseamna ceea ce fizicienii numesc ”trei sigma”, adică o șansă de a ne înșela de cam unu la mie. Pentru o descoperire, fizicienii așteaptă borna kilometrică denumită ”cinci sigma”, adică o șansă de a se înșela de cam unu la un milion! Cei trei sigma erau observați în jurul unei valori a masei bosonului Higgs de cam 135 de unități de masă denumite giva electron volți (GeV). Era primăvara lui 2012.

Bosonul Higgs a fost descoperit în iulie 2012, acum cinci ani. Masa sa a fost măsurată precis la 125 GeV. Ori la această valoare, experimentele combinate ale laboratorului Fermilab mai ofereau doar 2,8 sigma. Coborând astfel sub sub pragul psihologic de 3 sigma pentru indicii puternice. Si nu mai erau indicii puternice pentru H->bb.

Ei bine, dupa cinci ani, acest prag de 3 sigma a fost depășit iarăși, in prezentarea de ieri de la EPS 2017! Experimentul ATLAS de la CERN, de unul singur, într-o analiză de date efectuată de 59 din cei cam 3,000 de membri ai săi, între care și de autorul acestui articol, a obținut 3.5 sigma, folosind datele colectate în 2015 și 2016! Experimentul CMS încă nu a publicat rezultate din 2015 și 2016, dar este așteptat să o facă în curând.

Iată așadar că avem indicii puternice că bosonul Higgs cu masa de 125 GeV, care a fost observat a se dezintegra in alte particule (bosoni W, Z, fotoni, leptoni tau) se dezintegrează într-adevăr în doi cuarci bottom! Însă înca nu putem pretinde că acest fenoment este observat (sau descoperit). Pentru aceasta trebuie să așteptăm 5 sigma, care poate, dar nu este sigur, va fi obținut în 2019, pe baza analizei datelor care vor fi colectate și în 2017 și 2018. Este o analiză foarte complicată, dificilă. Dar fizicienii dau mereu dovadă de igeniozitate. Folosesc cele mai avansate tehnici de analiză de date, precum mașini care învață automat pentru a separa fotografiile colectate în clase de tipul semnal și de tipul zgomot de fond.

O altă îmbunătățire este cea produsă de autorul acestui articol. Care îmbunătățește pas cu pas energia măsurată a quarcilor bottom, care se traduce într-o îmbunătățire a masei particula mamă a celor doi cuarci (mbb), adică masei particulei candidat a fi bosonul Higgs!

Figura de mai jos este chiar figura numărul unu din articolul prezentat la conferinta EPS.

Este și în prezentarea orală a acestui rezultat H->bb de la conferință. Prezintă o parte din munca de cercetare a autorului acestui articol. Se vede cum se trece gradual de la negru la albastru, mov, apoi roșu. Cu cât distribuția devine mai strâmtă, cu atât este este mai usor de separat bosonul Higgs de zgomotul de fond, iar analizei să îi crească numărul de sigma!

Dar datele colectate despre bosonul Higgs dezintegrându-se în doi cuarci bottom sunt în acord, sau dezacord, cu Modelul Standard? Cat de des se întamplă? Numărul care cuantifică aceasta se numeste ”tăria semnalului” (signal strength) și este prezis a fi exact unu pentru Modelul Standard. O valoare mai mare sau mai mică este o deviere de la Modelul Standard! Dar atenție la eroarea de măsurare! Cu datele din 2015 și 2016, este observată o valoare de 1.2 plus sau minus 0.4. Adăugându-se și datele din 2015 și 2016, este observată 0.9 plus sau minus 0.3.

Astfel, în limia erorii, acestă măsurare este în acord cu teoria care prezice exact unu. Bătălia se dă așadar pentru a măsura mai precis acest număr!

Eroarea a tot fost micșorată și va fi micșorată și mai departe, pe măsura colectării de noi date în 2017 și 2018, dar și prin introducerea de metode de analiza statistică tot mai precise! Să sperăm la o observare clară de 5 sigma în 2019, și, cine știe, la o deviere față de 1.0, ceea ce ar duce la o revoluție în fizica particulelor!

Articolul a fost scris de Adrian Buzatu (http://adrianbuzatu.com), cercetător în fizica particulelor elementare la institutul Academia Sinica din Taipei, Taiwan.

Este bazat la laboratorul CERN de la Geneva, unde lucrează la cautarea bosonului Higgs în doi cuarci bottom, dar nu numai.

Pasionat de comunicarea fizicii particulelor pentru publicul larg, a scris în limba română numeroase articol pe această temă (http://www.adrianbuzatu.com/ro_outreach.html).