Έξι χρόνια μετά την ανακάλυψή του, το πείραμα ATLAS στο CERN παρατήρησε περίπου το 30% των διασπάσεων του μποζονίου Higgs που προβλέπονται στο πρότυπο μοντέλο. Ωστόσο, η ευνοούμενη διάσπαση του μποζονίου Higgs σε ένα ζευγάρι bottom (πυθμένιων ή χαμηλά) κουάρκ (H → bb), η οποία αναμένεται να αντιπροσωπεύει σχεδόν το 60% όλων των πιθανών διασπάσεων, παρέμεινε φευγαλέα μέχρι τώρα. Η παρατήρηση αυτού του τρόπου αποσύνθεσης και η μέτρηση του ρυθμού του είναι ένα υποχρεωτικό βήμα για την επιβεβαίωση ή την διάψευση της παραγωγής μάζας για τα φερμιόνια μέσω αλληλεπιδράσεων Yukawa, όπως προβλέπεται στο Πρότυπο Μοντέλο.
Εμφάνιση συμβάντος για την διάσπαση Higgs → bb με τον ανιχνευτή ATLAS
Αυτή η διάσπαση είχε αναφερθεί στις 9 Ιουλίου, στο Διεθνές Συνέδριο Φυσικής Υψηλών Ενεργειών (ICHEP) του 2018 στη Σεούλ. Εκεί το πείραμα ATLAS ανέφερε ένα προκαταρκτικό αποτέλεσμα που καθόριζε την παρατήρηση του μποζονίου Higgs σε ζευγάρια b κουάρκ, επιπλέον με ρυθμό συμβατό με την πρόβλεψη του τυπικού μοντέλου.
Η πειραµατική επιβεβαίωση αυτής της πρόβλεψης είναι κρίσιµης σηµασίας γιατί το αποτέλεσµα είτε
θα ενισχύσει το Καθιερωµένο Πρότυπο – το οποίο βασίζεται στην ιδέα ότι το πεδίο Higgs παρέχει µάζα σε κουάρκς και άλλα θεµελιώδη σωµατίδια – είτε θα κλονίσει τα θεµέλιά του υποδεικνύοντας νέα φυσική.
Η ανίχνευση αυτού του κοινού δίαυλου διάσπασης του µποζονίου Higgs δεν ήταν καθόλου εύκολη, όπως αποδεικνύει η εξαετής περίοδος που ακολούθησε την ανακάλυψη του µποζονίου. Αυτό οφείλεται στο ότι υπάρχουν πολλοί άλλοι τρόποι παραγωγής χαµηλών κουάρκς σε συγκρούσεις πρωτονίων-πρωτονίων. Έτσι, καθίσταται δύσκολο να αποµονώσει κανείς το σήµα διάσπασης του µποζονίου Higgs από τον “θόρυβο” υποβάθρου που σχετίζεται µε τέτοιες διεργασίες.
Αντίθετα, οι λιγότερο συνηθισµένοι δίαυλοι διάσπασης του µποζονίου Higgs που παρατηρήθηκαν τη στιγµή της ανακάλυψης του σωµατιδίου, όπως η διάσπαση σε ζεύγος φωτονίων, είναι πολύ ευκολότερο να διαχωριστούν από το υπόβαθρο.
Είναι απαραίτητο να αποκλείσουμε σε 1 προς τα 3 εκατομμύρια την πιθανότητα ότι η ανίχνευση διάσπασης προκύπτει από μια διακύμανση του υποβάθρου που θα μπορούσε να μιμηθεί τη διαδικασία. Όταν μια τέτοια πιθανότητα είναι στο επίπεδο μόνο 1 προς τα 1000, η ανίχνευση χαρακτηρίζεται ως “απόδειξη”. Τα στοιχεία της αποσύνθεσης H → bb δόθηκαν για πρώτη φορά στο Tevatron το 2012 και πριν από ένα χρόνο από τις συνεργασίες ATLAS και CMS, ανεξάρτητα.
Για την εξαγωγή του σήµατος, τα πειράµατα ATLAS και CMS το καθένα συνδύασε δεδοµένα από την πρώτη και δεύτερη περίοδο λειτουργίας του LHC, κατά τις οποίες επιτεύχθηκαν συγκρούσεις σε ενέργειες 7, 8 και 13 TeV (τρισεκατοµµύρια ηλεκτρονιοβόλτ). Στη συνέχεια, εφάρµοσαν σύνθετες µεθόδους ανάλυσης των δεδοµένων. Η έκβαση, τόσο για το ATLAS όσο και για το CMS, ήταν η ανίχνευση της διάσπασης του µποζονίου Higgs σε ζεύγος χαµηλών κουάρκς. Επιπλέον, και οι δύο οµάδες µέτρησαν έναν ρυθµό διάσπασης που συνάδει µε την πρόβλεψη του Καθιερωµένου Προτύπου, στα πλαίσια της τρέχουσας ακρίβειας της µέτρησης.
Η ανάλυση επικεντρώθηκε στις υπογραφές παραγωγής μποζονίου Higgs, σε συνδυασμό με ένα διανυσματικό μποζόνιο, αυξάνοντας έτσι την καθαρότητα του σήματος. Έτσι, αναζητήθηκαν μποζόνια Higgs τα οποία παράχθηκαν διαμέσου ενός διανυσματικού μποζονίου W ή Z, όταν το τελευταίο διασπάται σε ένα ζεύγος λεπτονίων. Αυτή η τεχνική αποδείχθηκε εξαιρετικά επιτυχημένη. Με την εν λόγω ανίχνευση επιβεβαιώνεται ξανά η αποκαλούμενη «σύζευξη Yukawa». Παρόμοια με τον μηχανισμό Higgs, αυτές οι συζεύξεις με το πεδίο Higgs δίνουν μάζα σε φορτισμένα φερμιόνια (κουάρκ και λεπτόνια), τα οποία αποτελούν τα δομικά στοιχεία της ύλης.
Με περισσότερα δεδοµένα, τα πειράµατα θα βελτιώσουν την ακρίβεια αυτών και άλλων µετρήσεων και θα διερευνήσουν την διασπαση του µποζόνου Higgs σε ζεύγος φερµιονίων πολύ µικρότερης µάζας που ονοµάζονται µιόνια, παρακολουθώντας πάντα για αποκλίσεις στα δεδοµένα που θα µπορούσαν να υποδείξουν φυσική πέραν του Καθιερωµένου Προτύπου.
“Τα πειράµατα συνεχίζουν να πλησιάζουν το σωµατίδιο Higgs, το οποίο θεωρείται συχνά η πύλη προς µια νέα φυσική. Αυτά τα εξαιρετικά και πρώιµα επιτεύγµατα υπογραµµίζουν επίσης τα σχέδιά µας για την αναβάθµιση του LHC για να βελτιώσουµε σηµαντικά τα στατιστικά στοιχεία. Οι µέθοδοι ανάλυσης έχουν τώρα αποδειχθεί ότι επιτυγχάνουν την ακρίβεια που απαιτείται για την πλήρη εξερεύνηση του πεδίου φυσικής, συµπεριλαµβανοµένης της νέας φυσικής που µέχρι στιγµής κρύβεται τόσο διακριτικά “, δήλωσε ο διευθυντής του CERN για την Έρευνα και την Πληροφορική Eckhard Elsen.
Με αυτές τις παρατηρήσεις, ανοίγει μια νέα εποχή λεπτομερών μετρήσεων στον τομέα Higgs, μέσω της οποίας θα αντιμετωπιστεί περαιτέρω το Πρότυπο Μοντέλο.
