CERN – Cząstka Higgsa oraz reakcje polskich fizyków

AKTUALNOŚCI, CIEKAWOSTKI, NAUKA, TECHNOLOGIE

Wyniki eksperymentów ATLAS i CMS sugerują, że cząstka Higgsa istnieje – poinformował we wtorek ośrodek badawczy CERN. Jeśli odkrycie się potwierdzi, będzie przemawiało za słusznością dotychczasowych teorii fizyki cząstek, sformułowanych w tzw. Modelu Standardowym. Rzeczniczka eksperymentu ATLAS Fabiola Gianotti i rzecznik CMS Guido Tonelli przedstawili we wtorek po południu na seminarium w Genewie dotychczasowe wyniki poszukiwania bozonu Higgsa – cząstki elementarnej, której istnienie przewiduje Model Standardowy.

„Wyniki te są oparte na analizie znacznie większej ilości danych niż zaprezentowane na letnich konferencjach. Taka ilość danych pozwala na znaczny postęp w poszukiwaniach cząstki Higgsa, ale nie jest wystarczająca na jednoznaczne stwierdzenie, czy cząstka Higgsa istnieje, czy nie” – wyjaśnił rzecznik Narodowego Centrum Badań Jądrowych (NCBJ) dr Marek Pawłowski.

The CERN accelerator complex

Naukowcy ustalili na razie, że jeśli bozon Higgsa istnieje, to jego masa jest ograniczona do zakresu 116-130GeV przez eksperyment ATLAS i do zakresu 115-127 GeV przez CMS. Zespoły obu eksperymentów zaobserwowały ślady wskazujące na pojawienie się w akceleratorze cząstek o takiej właśnie masie i właściwościach, jakie według przewidywań Modelu Standardowego powinna mieć cząstka Higgsa. Ślady te nie są jednak na tyle silne, by można było oficjalnie ogłosić odkrycie.

„Bozony Higgsa, jeżeli istnieją, żyją bardzo krótko i rozpadają się na wiele sposobów. Odkrycie polega na obserwacji cząstek pochodzących z rozpadu, a nie samych bozonów Higgsa. Zarówno ATLAS, jak CMS przeanalizowały wiele kanałów rozpadu i oba eksperymenty obserwują małe nadwyżki w zakresie niskich mas, który to zakres nie został jeszcze wykluczony. Każda nadwyżka wzięta z osobna nie jest bardziej istotna statystycznie niż wylosowanie szóstki w dwóch rzutach kością pod rząd. To, co jest interesujące, to fakt, że jest kilka niezależnych pomiarów wskazujących na zakres między 124 a 126 GeV” – podkreśla Pawłowski.

„Ograniczyliśmy najbardziej prawdopodobny region masy bozonu Higgsa do 116-130 GeV i w ciągu ostatnich kilku tygodni zaczęliśmy obserwować intrygującą nadwyżkę przypadków w okolicy masy 125 GeV. Te nadwyżki mogą być fluktuacją, ale może to być też coś bardziej interesującego. Nie możemy sformułować żadnych konkluzji na tym etapie. Potrzebujemy głębszych analiz i więcej danych. Zważywszy na doskonałe działanie LHC w tym roku, nie będziemy musieli czekać długo na wystarczającą ilość danych, by rozwiązać tę zagadkę w roku 2012” – tłumaczy Fabiola Gianotti, rzeczniczka eksperymentu ATLAS w komunikacie rozesłanym we wtorek przez CERN.

„Nie możemy wykluczyć obecności bozonu Higgsa w ramach Modelu Standardowego między 115 i 127 GeV w związku z niewielką nadwyżką przypadków w tym obszarze, która pojawia się spójnie w pięciu niezależnych kanałach. Nadwyżka jest najbardziej zgodna z bozonem Higgsa w ramach Modelu Standardowego w okolicy 124 GeV i poniżej, ale statystycznie nie jest wystarczająco duża, by powiedzieć cokolwiek rozstrzygającego. Na dzień dzisiejszy, to, co obserwujemy, jest zgodne tak z fluktuacją tła, jak z obecnością bozonu. Ulepszone analizy i dodatkowe dane dostarczone w 2012 roku przez tę wspaniałą maszynę udzielą definitywnej odpowiedzi” – zapowiada Guido Tonelli, rzecznik eksperymentu CMS.

Jak przypomina rzecznik NCBJ, w ciągu nadchodzących miesięcy oba zespoły będą nadal ulepszały swoje analizy przed konferencjami z fizyki cząstek elementarnych w marcu. „Rozstrzygające stwierdzenie o istnieniu bądź nie bozonu Higgsa wymaga jednak zebrania większej ilości danych i jest mało prawdopodobne przed połową 2012 roku” – zastrzega.

Cząstka Higgsa ma być częścią mechanizmu sprawiającego, że cząstki mają taką, a nie inną masę. Zgodnie z hipotezą mechanizmu Higgsa, przestrzeń jest wypełniona tzw. polem Higgsa, z którym oddziałują wszystkie cząstki. Te rodzaje cząstek, które oddziałują silniej z polem, mają większą masę od tych, które oddziałują słabiej, a dzieje się tak w pewnym sensie podobnie, jak w przypadku wyścigowego bolidu, który znacznie łatwiej rozcina powietrze niż autobus.

Do poszukiwań m.in. cząstki Higgsa został zbudowany najpotężniejszy akcelerator cząstek elementarnych – Wielki Zderzacz Hadronów LHC (Large Hadron Collider). Znajduje się on w tunelu o średnicy 9 km na głębokości 100 metrów pod ziemią w laboratorium Europejskiej Organizacji Badań Jądrowych CERN w pobliżu Genewy na granicy francusko-szwajcarskiej.

Badacze na razie skupiają się na poszukiwaniu cząstki Higgsa o takich właściwościach, jakie przewiduje Model Standardowy, czyli teoria, której fizycy używają do opisu zachowania cząstek elementarnych i oddziaływań między nimi. Możliwe jednak, że akcelerator LHC pozwoli rozszerzyć tę teorię.

„Teoria ta doskonale opisuje zwykłą materię, z której zbudowani jesteśmy my i cały widzialny Wszechświat. Model Standardowy nie opisuje jednak 96 proc. Wszechświata, która jest dla nas niewidzialna. Jeden z podstawowych punktów programu fizycznego LHC to wyjście poza Model Standardowy, a bozon Higgsa może być tu kluczowy. Znalezienie bozonu Higgsa w ramach Modelu Standardowego potwierdziłoby teorię wysuniętą w latach 60. XX wieku, ale istnieją też inne możliwe warianty bozonu Higgsa związane z teoriami wykraczającymi poza Model Standardowy” – poinformował CERN w oficjalnym komunikacie.

Reakcja na odkrycie polskich fizyków

Ewentualne odkrycie cząstki Higgsa potwierdzi istniejące teorie, ale nie zamknie drogi do nowych – podkreśla prof. Maria Krawczyk z Uniwersytetu Warszawskiego. Inny fizyk z UW prof. Jan Królikowski przypomina, że w eksperymentach CERN biorą udział Polacy.

We wtorek w ośrodku badawczym CERN pod Genewą ogłoszono wyniki eksperymentów ATLAS i CMS, których celem jest odkrycie cząstki Higgsa lub wykluczenie jej istnienia. Obserwacje naukowców sugerują, że cząstka Higgsa istnieje i najprawdopodobniej ma masę 115-130 GeV.

„Fizycy od dawna oczekiwali potwierdzenia doświadczalnego hipotezy o istnieniu lekkiej cząstki Higgsa, z masą poniżej 200 GeV, czyli 200 mas protonu. Przekonanie to wynika ze struktury teoretycznej Modelu Standardowego i dotychczasowych pomiarów różnych wielkości fizycznych” – tłumaczy prof. Krawczyk z Instytutu Fizyki Teoretycznej Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego.

Fizyczka przypomina wyniki wcześniejszych eksperymentów w CERN (zarówno z użyciem LHC jak i poprzedniego wielkiego akceleratora – LEP), które wykluczyły istnienie cząstki Higgsa lżejszej niż 114 GeV oraz o masie między 145 a 466 GeV.

„Dzisiejsze dane z LHC jeszcze bardziej zawężają ten obszar do 115-130 GeV, z pewnym wskazaniem na masę ok. 125 GeV” – podkreśla.

Według Krawczyk cząstka Higgsa jest niezbędnym elementem Modelu Standardowego, czyli gdyby jej istnienie zostało w ogóle wykluczone przez eksperymenty, teoria opisująca wszystkie znane cząstki i oddziaływania między nimi musiałaby ulec modyfikacji. Jednak odkrycie tej cząstki nie oznacza, że Model Standardowy będzie wyjaśniał wszystkie zjawiska, związane z cząstkami elementarnymi jakie zachodzą w przyrodzie.

„Model Standardowy to w istocie prawdziwa teoria cząstek elementarnych dla energii dostępnych naszym pomiarom w laboratoriach. Jest to kwantowa teoria pola, która pozwala opisywać procesy anihilacji i kreacji cząstek. Opiera się na opisie oddziaływań elektromagnetycznych, słabych i silnych zachodzących pomiędzy kwarkami i leptonami (takimi jak elektron), uwzględniając ich specyficzne symetrie. Skład fundamentalnych składników materii został ustalony na przełomie wieku” – wyjaśnia profesor.

Jak dodaje, cząstki przenoszące poszczególne oddziaływania też znane są od dłuższego czasu – są to foton, bozony W i Z oraz gluony.

„Otwarte pozostało pytanie – skąd się biorą masy cząstek fundamentalnych? Szczególnie doskwierał tu problem mas bozonów W i Z, gdyż wyjściowa symetria wymaga aby bozony były bezmasowe jak foton i mogły się przemieszczać na duże odległości, co było w pełnej sprzeczności z danymi. Masy bozonów W i Z wynoszą bowiem około 100 mas protonu, a oddziaływania słabe, które przenoszą te cząstki, działają tylko w mikroświecie. Zaproponowany w latach 60-tych XX w elegancki mechanizm Brouta-Englerta-Higgsa, wykorzystuje zjawisko spontanicznego łamania symetrii znane w innych dziedzinach fizyki i nadaje masy bozonom cechowania nie psując wyjściowej symetrii oddziaływań. Przewidywanym sygnałem tego mechanizmu jest właśnie cząstka (bozon) Higgsa. Model Standardowy dokładnie określa jak Higgs oddziałuje z innymi cząstkami (tym silniej im są masywniejsze), ale nie przewiduje masy samej cząstki Higgsa – stąd trudności w jego poszukiwaniach” – tłumaczy badaczka.

Jak przypomina kierownik polskiej grupy CMS prof. Jan Królikowski z Instytutu Fizyki Doświadczalnej Wydziału Fizyki UW, polscy fizycy od wielu lat brali udział w konstrukcji detektorów na potrzeby eksperymentów ATLAS i CMS, a teraz biorą aktywny udział w analizie danych i utrzymywaniu eksperymentów w ruchu.

„Grupa uczonych z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego, Narodowego Centrum Badań Jądrowych oraz z Politechniki Warszawskiej bierze udział w pracach zespołu CMS od momentu jego powstania w 1991 roku. Grupa warszawska ma istotny wkład w projekt i konstrukcję podzespołów układu wyzwalania, który identyfikuje potencjalnie interesujące zderzenia protonów w LHC.

Prof. Królikowski dodaje, że obecnie fizycy, elektronicy i studenci z Warszawy biorą udział w rutynowych pracach związanych z działaniem CMS, np. poprzez pracę w centrum sterowania eksperymentem, znajdującym się w Cessy we Francji, oraz w analizach danych, włączając w to poszukiwania bozonu Higgsa w kanale rozpadu na dwa leptony tau oraz poszukiwania sygnałów fizyki poza Modelem Standardowym. Obecny i następny rok to bardzo ekscytujący czas dla nas wszystkich, szczególnie, że wielu nas było i jest zaangażowanych w budowę eksperymentu CMS już od ponad 20 lat” – zaznacza fizyk.

PAP – Nauka w Polsce

Powiązane wpisy


Drogi czytelniku, nasza strona internetowa korzysta z plików cookies
Więcej informacji na ten temat znajdziesz tutaj.

Prawa autorskie © 2010-2014 NEWSFix Magazine.
Wszelkie prawa zastrzeżone.

Powrót do góry