Nie tylko bozon HIGGSA - Śmiała próba dotarcia do prapoczątku
Celem przyświecającym budowniczym LHC - Wielkiego Zderzacza Hadronów (Large Hadron Collider) - było odtworzenie warunków, które panowały na samym początku naszego Wszechświata, ale na dużo, dużo mniejszą skalę. Projekt zatwierdzono w grudniu 1994 r. Główne elementy największego na świecie akceleratora cząstek umieszczone są pod ziemią, w tunelu w kształcie torusa o obwodzie 27 km.
W akceleratorze cząstki (protony wytwarzane z wodoru) "biegną" w dwóch rurach, w przeciwnych kierunkach. Cząstki "rozpędzone" do bardzo dużych energii, z prędkością światła obiegają akcelerator ponad 11 tys. razy na sekundę.
Ze względu na warunki geologiczne głębokość tunelu waha się od 175 m (pod Jurą) do 50 m (w kierunku Jeziora Genewskiego) - średnio wynosząc 100 m, przy średnim niewielkim nachyleniu 1,4 procent.
Z punktu widzenia geologii najistotniejsze było umiejscowienie całej maszynerii na głębokości przynajmniej 5 m poniżej górnej warstwy "molasse" (zielonego piaskowca).
Dokładnie rzecz biorąc, cząstki są rozpędzane w kilku mniejszych akceleratorach, zanim trafiają do LHC. W pewnych ściśle określonych miejscach na obwodzie LHC protony z tych dwóch rur wprowadzane są na jeden tor i zderzając się, wytwarzają nowe cząstki, nową materię.
Energia - zgodnie z równaniem Einsteina E = mc² - zamieniana jest w masę powstających cząstek. Wyniki tych zderzeń są rejestrowane w ogromnych detektorach. Największy, ATLAS, o długości 46 m i średnicy 25 m, waży 7 tys. ton (1).
Drugi, CMS, ma nieco mniejsze rozmiary, bo długość 28,7 m i średnicę 15 m, ale za to jego masa wynosi aż 14 tys. ton (2). Urządzenia te, w kształcie ogromnych walców, zbudowane są z kilku/kilkunastu koncentrycznych warstw detektorów aktywnych na różnego typu cząstki i oddziaływania.
Cząstki są "wyłapywane" i w postaci sygnału elektrycznego dane przesyła się do centrum komputerowego, a dalej dystrybuuje do ośrodków naukowych rozlokowanych na całym świecie, gdzie są analizowane.
Podczas zderzeń cząstek generowana jest tak ogromna ilość danych, że do obliczeń należy włączyć tysiące komputerów.
Projektując detektory w CERN, naukowcy wzięli pod uwagę wiele czynników mogących zniekształcić lub wpłynąć na poprawność dokonywanych pomiarów. Między innymi uwzględniono nawet wpływ księżyca, stan poziomu wody w Jeziorze Genewskim czy zakłócenia wprowadzane przez szybkie pociągi TGV.
Jak zareagują detektory
Pierwsza wiązka przeszyła kanały LHC 10 września 2008 r. Wkrótce potem nastąpiła słynna awaria, która unieruchomiła kompleks na około rok. Gdy powrócił do pracy, efekty zaczęły pojawiać się szybko. 13 grudnia 2009 r. detektor CMS zarejestrował pierwsze miony, czyli nietrwałe cząstki elementarne.
Prawie rok później badacze przeprowadzili operację przejścia z rozpędzania wiązek protonów do rozpędzania jonów ołowiu. Pierwsze zderzenia zjonizowanych jąder ołowiowych zarejestrowano 7 listopada 2010 r.
Dzięki przejściu na jony ołowiu można było w LHC uzyskiwać znacznie większe energie wiązek i zderzeń, bowiem jądro tego pierwiastka po odarciu z elektronów to ciężki pocisk z 82 protonów na raz.
Ich zadaniem było wytworzenie wskutek wysokoenergetycznych zderzeń tzw. plazmy kwarkowo-gluonowej, czyli rodzaju materii, która według teorii istniała u zarania Wszechświata, zanim powstały cząstki elementarne.
Członkowie zespołów badawczych obawiali się przede wszystkim, jak na ciężkie jony zareagują detektory, które wcześniej ostrzeliwano co najwyżej pojedynczymi protonami pochodzenia wodorowego.
Okazało się, że wszystko było w porządku. "Zaprojektowaliśmy CMS jako detektor wielozadaniowy i bardzo nas ucieszyło, że w reakcji na ciężkie bombardowanie okazał się on naprawdę wielozadaniowym urządzeniem", chwalił się wówczas Guido Tonelli (3), przedstawiciel współpracujących zespołów naukowych.
Mamy go!
Przez pierwsze trzy lata swojej pracy osiągana w LHC energia zderzeń wynosiła 7 do 8 TeV. W sierpniu 2011 r. na konferencji Lepton-Photon w Bombaju podano aktualne rezultaty poszukiwań słynnej cząstki Higgsa (bozonu Higgsa) Modelu Standardowego, oparte na wynikach eksperymentów CMS i ATLAS przy Wielkim Zderzaczu Hadronów.
Przeanalizowane dane wykluczały istnienie standardowego bozonu Higgsa o masie pomiędzy 145 GeV/c² i 466 GeV/c². Pozostawał do zbadania obszar pomiędzy 114,4 GeV/c² i 145 GeV/c² oraz, uważany za znacznie mniej prawdopodobny, obszar 466-800 GeV/c².
Ówczesny cel główny działania LHC, czyli polowanie na cząstkę Higgsa, był realizowany, ale to nie wykluczało po drodze innych odkryć. 8 listopada 2011 r. naukowcy zarejestrowali w CERN bardzo rzadko spotykany rozpad mezonu Bs na dwa miony (Bs 0 μ+μ−). Odkrycie to może mieć znaczenie w nowej odsłonie LHC, w której m.in. podjęta zostanie próba weryfikacji teorii supersymetrii.
Rozpad bowiem zgadza się bardziej z odrzucającą supersymetrię wersją Modelu Standardowego. Później, w sierpniu 2013 r., zespoły badaczy sygnalizowały kolejne nieregularności w rozpadach mezonów, co otwiera kwestie do zbadania i sprawdzenia w nowych eksperymentach.
Pod koniec 2011 r. naukowcy ogłosili, że detektory CMS i ATLAS pokazują wzrost intensywności w przedziale 124-125 GeV/c², który może być szumem albo wskazywać na oczekiwane odkrycie bozonu Higgsa. Niejako przy okazji tych badań i analiz, w grudniu 2011 r., ogłoszono obserwację nowej cząstki, stanu xb (3P) bottomonium.
Jest to o tyle istotne, że była to pierwsza cząstka odkryta w Wielkim Zderzaczu Hadronów. Artykuł o tym odkryciu został wysłany do portalu arXiv 21 grudnia 2011 r . i opublikowany w kwietniu 2012 r. w czasopiśmie "Physical Review Letters".
Praca naukowa przeprowadzona na ogromnych ilościach danych pochodzących z detektorów ATLAS i CMS z lat 2011-2012 pozwoliła wreszcie 4 lipca 2012 r. ogłosić odkrycie bozonu Higgsa o masie ok. 126 GeV/c². 13 kwietnia 2013 r. zespoły pracujące przy detektorach CMS i ATLAS potwierdziły otrzymanie bozonu Higgsa.
To przyniosło w październiku 2013 r. Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki dla teoretyków, którzy istnienie tej cząstki przewidzieli: Françoisa Englerta i Petera Higgsa (4). Odkrywając cząstkę Higgsa, LHC znalazł ostatni brakujący element tzw. Modelu Standardowego oddziaływań elementarnych.
Wiadomo dzięki temu, że ów model dobrze opisuje rzeczywisty świat cząstek. A przecież to właśnie chęć udowodnienia istnienia tej cząstki była jedną z sił napędzających budowę Wielkiego Zderzacza Hadronów. Bozon Higgsa (5) wcześniej był bytem tylko teoretycznym.
Higgs z rozpadów
Model standardowy przewiduje, że bozon Higgsa żyje bardzo krótko, po czym rozpada się na wiele innych, dobrze znanych cząstek (6). Eksperyment CMS badał pięć podstawowych kanałów rozpadu.W trzech kanałach rozpad następuje na pary bozonów (gg, ZZ lub WW), a w dwóch na pary leptonów (bb lub tt), gdzie g oznacza foton, Z i W oznaczają nośniki oddziaływań słabych, b oznacza kwark niski (ang. bottom) a t oznacza lepton tau.
Kanały gg, ZZ i WW są jednakowo dokładne w poszukiwaniach bozonu Higgsa o masie ok. 125 GeV/c² i jednocześnie bardziej czułe niż kanały bb i tt. Kanały gg i ZZ są szczególnie ważne, ponieważ pozwalają na precyzyjny pomiar masy nowej cząstki.
W kanale gg masa jest wyznaczana z energii i kierunków dwóch wysokoenergetycznych fotonów mierzonych przez kalorymetr elektromagnetyczny eksperymentu CMS (7).
W kanale ZZ (8) masa jest wyznaczana z rozpadów dwóch bozonów Z na dwie pary elektronów, dwie pary mionów lub parę elektronów i parę mionów.
Cząstki te są mierzone w kalorymetrze elektromagnetycznym, wewnętrznym detektorze śladowym i komorach mionowych. Kanał WW jest bardziej złożony.
Każdy z bozonów W jest identyfikowany poprzez rozpad na elektron i neutrino lub mion i neutrino. Neutrina przelatują przed detektor CMS niezauważone, dlatego w kanale WW bozon Higgsa objawiałby się jako szeroka nadwyżka przypadków w rozkładzie masy.
Kanał bb charakteryzuje się dużym tłem pochodzącym od procesów znanych w modelu standardowym, wobec czego w tym kanale bozonu Higgsa poszukuje się w przypadkach jednoczesnej produkcji bozonu Higgsa i bozonów W lub Z, które rozpadają się na elektron(-y) lub mion(-y). W kanale tt obserwuje się rozpady t na elektrony, miony i hadrony.
Wysoki poziom ufności
Elektronowolt (eV) jest jednostką energii. Energia 1 GeV oznacza 1.000.000.000 eV (1 miliard eV). W fizyce wysokich energii, gdzie masa i energia często używane są zamiennie, przyjęło się używać jednostek masy eV/c² (ze wzoru E = mc², gdzie c oznacza prędkość światła w próżni). Jeszcze bardziej powszechne jest stosowanie układu jednostek, w którym po przyjęciu c = 1 (i w konsekwencji E = m), eV staje się również jednostką masy.
Odchylenie standardowe jest miarą rozrzu - tu wyników serii pomiarów wokół wartości średniej. Jest też miarą tego, jak bardzo próbk a danych odbiega od zakładanej hipotezy. Fizycy mierzą odchylenia standardowe w jednostkach zwanych "sigma". Im większa liczba sigma, tym bardziej dane nie pasują do zakładanej hipotezy.
Zazwyczaj im odkrycie jest bardziej nieprawdo - podobne, tym mniejszej liczby sigma wymagają fizycy, żeby się o nim przek onać. Poziom ufności w procentach to statystyczna miara liczby przypadków na 100 prób, dających wynik w granicach ustalonego przedziału. Przykładowo, poziom ufności 95 procent oznacza, że wynik doświadczenia będzie zgodny z oczekiwaniami w 95 przypadkach na 100 prób.
W ramach sprawdzania spójności wyników wszystkie analizy prowadzone były równolegle przez co najmniej dwa niezależne zespoły. Wiarygodności wynikom dodaje również kilka ogólnych obserwacji:
• Nadwyżka przypadków występuje przy masie ok. 125 GeV/c² zarówno w danych z 2011 r. zebranych przy energii 7 TeV jak i w danych z 2012 r. zebranych przy energii 8 TeV.
• Nadwyżka widoczna jest przy tej samej masie w obu kanałach o dużej rozdzielczości (gg oraz ZZ).
• Nadwyżka widoczna w kanale WW jest zgodna ze spodziewaną nadwyżką dla cząstki o masie 125 GeV/c².
• Nadwyżka jest widoczna w wielu stanach końcowych zawierających fotony, elektrony, miony oraz hadrony.
Obserwacja nowej cząstki o masie ok. 125 GeV/c² jest w granicach obecnej dokładności statystycznej zgodna z hipotezą, że cząstka ta jest bozonem Higgsa w ramach Modelu Standardowego (MS).
Dopiero zebranie większej ilości danych pozwoli zmierzyć własności tej cząstki, takie jak stosunki rozgałęzień dla różnych kanałów rozpadu (gg, ZZ, WW, bb oraz tt), a w następnej kolejności również spin i parzystość. To pozwoliłoby ustalić, czy cząstka, którą widzimy, jest faktycznie bozonem Higgsa z MS, czy też przejawem nowej fizyki poza MS.
Nieco egzotyki
Trwająca od lutego 2013 r. przerwa na renowacje i rozbudowę w LHC nie oznaczała, że nic się w tym czasie nie działo. Fizycy wciąż analizowali otrzymane wcześniej wyniki. W kompleksach CERN przeprowadzane były też rozliczne inne eksperymenty.
W kwietniu 2014 r. naukowcy z CERN potwierdzają, że w ramach eksperymentów w detektorze cząstek elementarnych, który nosi nazwę Large Hadron Collider beauty (LHCb), wykryto nowe cząstki, które określane są jako "hadrony egzotyczne". Ich nazwa wynika z tego, że nie można ich wywieść z tradycyjnego modelu kwarkowego.
Każda cząstka jest bozonem lub fermionem, zależnie od spinu (w uproszczeniu: zdolności wirowania wokół własnej osi). Cząstki złożone z kilku innych cząstek (tak jak protony lub neutrony) mogą być zarówno fermionami, jak i bozonami, zależnie od ich całkowitego spinu.
Zgodnie z Modelem Standardowym fermiony są cząstkami elementarnymi "materii", natomiast bozony przenoszą oddziaływania. Oddziaływania wirtualnych bozonów z rzeczywistymi fermionami nazywamy oddziaływaniami podstawowymi. Zachowanie pędu w tych oddziaływaniach objawia się matematycznie we wszystkich znanych siłach. Bozony uczestniczące w tych oddziaływaniach nazywamy bozonami cechowania. Są to:
• dwa bozony W i jeden Z (oddziaływanie słabe),
• osiem gluonów (oddziaływanie silne),
• foton (oddziaływanie elektromagnetyczne),
• hipotetyczny grawiton pośredniczący w grawitacji.
Hadrony to cząstki uczestniczące w oddziaływaniach silnych, tych np. które odpowiadają za wiązania wewnątrz jądra atomowego. Według teorii pochodzących jeszcze z lat 60. XX wieku, składają się z kwarków i antykwarków (mezony) lub z trzech kwarków (bariony).
Jednak cząstka wykryta w LHCb, oznaczana jako Z(4430), nie pasuje do kwarkowej teorii, bowiem być może składa się z czterech kwarków (9). Pierwsze ślady egzotycznej cząstki wykryto jeszcze w 2008 r. Dopiero jednak niedawno udało się bez wątpliwości potwierdzić, że Z(4430) jest cząstką z masą 4430 MeV/c2, która jest mniej więcej czterokrotnie większa od masy protonu (938 MeV/c2).
Fizycy na razie nie spekulują, co oznaczać może istnienie egzotycznych hadronów. 10 października 2014 r. odkryto nową cząstkę subatomową, która zmienia nasze rozumienie sił działających w jądrze atomu. Tak przynajmniej twierdzą autorzy badań.
Nowa cząstka, mezon Ds3*(2860)-, została zauważona przez zespół kierowany przez uczonych z Uniwersytetu w Warwick, którzy analizowali dane ze wspomnianego detektora LHCb stanowiącego część Wielkiego Zderzacza Hadronów. Mezon ten łączy się z innymi w sposób podobny, jak czynią to protony.
Gdy zderzają się dwie cząstki, energia zderzenia jest sumą ich energii. Wiązka o tej samej energii, która zderza się z nieruchomą tarczą, będzie wytwarzać zderzenia o dużo niższej energii.
Będzie go łatwo badać, zapewniają uczeni. Cząstka Ds3*(2860)- zawiera bowiem ciężki kwark powabny, zatem teoretykom będzie łatwiej obliczyć jej właściwości. A ponieważ jej spin wynosi 3, to nie będzie wątpliwości, co to za cząstka.
Z tego też powodu może być ona punktem odniesienia do przyszłych obliczeń teoretycznych. Fizycy z laboratorium CERN w Genewie ogłosili 19 listopada 2014 r. odkrycie dwóch nowych cząstek elementarnych. To cząstki z rodziny barionów, podobnie jak protony, składające się z trzech kwarków.
Ich czas życia jest niezmiernie krótki i wynosi jedną milionową milionowej części sekundy. Dokonali tego naukowcy uczestniczący w pracach detektora LHCb.
To eksperyment zmierzający do odpowiedzi na kluczowe pytanie, dlaczego po Wielkim Wybuchu, który utworzył jednakową ilość materii i antymaterii, pozostała praktycznie tylko materia i to ona buduje znany nam Wszechświat.
Doświadczenie polega na analizie produktów zderzeń wysokoenergetycznych protonów. To właśnie przy tej okazji zaobserwowano dwie nowe cząstki, "ciężkie protony", podobnie jak inne bariony składające się z trzech kwarków. Najbardziej znanymi barionami są proton i neutron, tworzące jądra atomowe pierwiastków.
Ponieważ kwarki występują w sześciu rodzajach, to możliwe są również bariony złożone z innych, cięższych kwarków. Do takich należą dwie nowo zaobserwowane cząstki, oznaczone jako Xi_b’- i Xi_b*-. Obie składają się z kwarków (dsb) - dolnego (d), dziwnego (s) i pięknego (b).
Dla porównania, proton (uud) składa się z dwóch kwarków górnych (u) i jednego dolnego, a neutron (udd) z dwóch kwarków dolnych i jednego górnego. Obecność cięższych kwarków s i b powoduje, że obserwowane cząstki są ponad sześciokrotnie cięższe od protonu. Do ich wytworzenia potrzeba więc dużych energii wiązek akceleratora LHC.
Pomiary, które wykazały obecność cząstek Xi, przeprowadzono w Wielkim Zderzaczu Hadronów w latach 2011 i 2012. Przypomnijmy, że zgodnie z Modelem Standardowym sześciu kwarkom (z antycząstkami jest ich dwanaście) odpowiada sześć leptonów (10).
Wszystkie dane dotyczące czterech eksperymentów przeprowadzanych w Wielkim Zderzaczu Hadronów - o nazwach odpowiednio ALICE, ATLAS, CMS, LHCb - zostały udostępnione publicznie w portalu CERN. Od niedawna można do nich dostać się zupełnie za darmo i to w pełnej wersji, w otwartej usłudze Open Data Portal.
W ten sposób każdy, nie tylko zawodowy naukowiec, może analizować eksperymentalne dane, również wykorzystując je w celach edukacyjnych. Badacze z CERN liczą, że osoby zdolne do analizowania udostępnianych wyników mogą spojrzeć na nie w inny sposób, a być może sformułują nawet nowe hipotezy.
