W niniejszym rozdziale spróbujemy przybliżyć nieco poszukiwania tej nowej cząstki w LHC i ostatnio ogłoszone wyniki tych poszukiwań.

LHC poszukuje wielu nowych cząstek, spośród których najsłynniejsza jest cząstka Higgsa. Jej odkrycie mogłoby potwierdzić teorię, która pojawiła się w latach 60-tych XX wieku, zawierającą mechanizm nadający masę wszystkim cząstkom Modelu Standardowego. Korzystając z zasad symetrii można udowodnić, że wszystkie cząstki natychmiast po Wielkim Wybuchu były bezmasowe. Wspomniana teoria stwierdza, że ośrodek, nazywany polem Higgsa, wypełnił Wszechświat w jedną bilionową część sekundy po Wielkim Wybuchu. Oddziałujące z tym ośrodkiem cząstki posiadają masy różne od zera: im silniej oddziałują z polem Higgsa, a więc - im większą mają obserwowaną masę, tym więcej siły potrzeba, aby przyspieszyć je w tym ośrodku.
Aby eksperymentalnie sprawdzić teorię pola Higgsa, trzeba znależć jakąś mierzalną wielkość z nim związaną. Kwantowa teoria pola zakłada, że musi istnieć cząstka związana z polem Higgsa i że cząstkę tę można wytworzyć poprzez wzbudzanie pola Higgsa. Przypomina to powstawanie wirów w gazach lub cieczach. Te wiry - kwanty wzbudzeń pola Higgsa - są właśnie cząstkami Higgsa. Są one masywne i żyją niezwykle krótko. Zanim dotrą do detektorów, rozpadają się na inne cząstki, zatem mogą być znalezione tylko przez obserwacje produktów ich rozpadów. Po trzech latach zbierania danych i ich analizie wiemy już, że cząstka Higgsa ma masę 125 GeV i może się rozpadać na wiele różnych cząstek. Fizycy badają, jak często cząstka Higgsa rozpada się na poszczególne cząstki, aby w ten sposób sprawdzić, czy jest to rzeczywiście taka cząstka Higgsa, jaką przewiduje teoria.
Poniższy wykres przedstawia przewidywania teoretyczne i ostatnie wyniki uzyskane w eksperymentach ATLAS i CMS pokazujące, w jakiej części przypadków cząstka Higgsa rozpada się w pewne określone sposoby (oś y) i jak to zależy od jej masy (oś x).
Na wykresie widać także zacienione obszary, które pokazują, jakie zakresy mas cząstki Higgsa zostały wykluczone po analizie przez eksperymenty ATLAS i CMS przy LHC (z 95% poziomem ufności), lub przez poprzedni eksperyment LEP 10 lat wcześniej.



Zwróćmy uwagę na niebieską, przerywaną linię (oznaczoną WW). Poszukiwanie cząstki Higgsa poprzez szukanie nadwyżek przypadków z parami kwarków b i anty-b jest trudne (z powodu dużej liczby przypadków tła). Najbardziej obiecujący w dozwolonym zakresie mas wydaje się kanał rozpadu czastki Higgsa na dwa bozony W. Muszą one mieć przeciwne znaki ładunku elektrycznego, ponieważ cząstka Higgsa jest elektrycznie obojętna.

Pojawia się jednak nowy problem: rozpad cząstki Higgsa na dwa bozony W wygląda bardzo podobnie do produkcji takiej pary cząstek. Ten proces jest dozwolony przez Model Standardowy i nie ma nic wspólnego z cząstką Higgsa (jak widać na prawym diagramie Feynmana poniżej). Co gorsza, taka produkcja WW bez udziału cząstki Higgsa jest znacznie częstsza od przewidywanej dla rozpadu cząstki Higgsa (4-10 razy, w zależności od masy cząstki Higgsa). W jaki więc sposób można rozróżnić te procesy? Nie da się tego zrobić poprzez samo oglądanie przypadków! Do rozróżnienia tych procesów konieczne jest użycie dodatkowych wielkości fizycznych (z którymi musimy się zapoznać, by wiedzieć, jak z nich skorzystać). Taką procedurę fizycy nazywają zwiększeniem stosunku sygnału do tła.

Zamierzamy wyspecjalizować się w szukaniu rozpadów cząstki Higgsa. Oba powstające w nim bozony W rozpadają się dalej zgodnie z prawami Modelu Standardowego. Każdy z nich rozpada się na parę kwark-antykwark lub lepton-antylepton. My wybierzemy tylko te sposoby rozpadu, w których oba bozony W rozpadają się na parę lepton-antylepton, z wyłączeniem taonów (ze względu na trudności z ich identyfikacją). Fizycy określają takie rozpady jako: H→WW→lνlν lub w skrócie WW→lνlν , gdzie l oznacza elektron, mion, pozyton lub antymion, a ν oznacza neutrino.

Dla zwiększenia stosunku sygnału do tła przy danym sposobie rozpadu skoncentrujemy się na wartości kąta pomiędzy naszymi dwoma leptonami w płaszczyźnie prostopadłej do wiązki. Ten kąt nazywamy kątem otwarcia (rozlotu). Po uwzględnieniu zależności związanych ze spinem (własnym momentem pędu) wyprodukowanych cząstek okazuje się, że w przypadkach z cząstką Higgsa kąt ten jest mniejszy niż 90 stopni, podczas gdy procesy Modelu Standardowego dają pary w całym zakresie wartości, a preferowane są kąty większe niż 90 stopni. Przedstawienie tych informacji w formie histogramów ułatwi dalszą analizę.

Poniżej pokazane są jeszcze dwa diagramy Feynmana pokazujące produkcję i rozpad cząstki Higgsa oraz jeden przypadek tła (tutaj: powstawanie pary ciężkich kwarków szczytowych t).

Teraz potrafimy już znajdować przypadki WW - przejdźmy do pomiarów!

• Języki
• Start
• Mapa strony
• Autorzy
• Kontakt
• Do pobrania