Áttörés a részecskekutatásban: két müonra is tud bomlani a Higgs-bozon

Nincsen túlélhető és fenntartható jövőnk tudomány nélkül, ahogy nekünk sincsen nélkületek. Támogasd a Qubit munkáját!

A fizikusok 2012-es felfedezése óta tanulmányozzák az egyedülállóan különleges szubatomi részecske, az elemi részecskéknek tömeget adó Higgs-bozon tulajdonságait a svájci központú európai részecskefizikai intézetben, a CERN-ben. 

Mint ismeretes, a Higgs-bozon proton-proton ütközésekben keletkezik, majd szinte azonnal más részecskékre esik szét, amit bomlásnak nevezünk. A Higgs-bozon tanulmányozásának egyik fő módszere a különböző részecskékre való bomlás lehetőségeinek és azok gyakoriságának a vizsgálata. 

Július legvégén a CERN Nagy Hadronütköztetőjében (LHC) zajló kísérletekkel foglalkozó nemzetközi konferencián új eredményt jelentettek be a szubatomi részecskét tanulmányozó tudósok. A Wigner Fizikai Kutatóközpont honlapján közzé tett beszámoló szerint a kutatók „egyértelmű jelét látják, hogy az elemi részecskék tömegéért felelős Higgs-bozon két müonra is tud bomlani”.     

Mindez azért fontos, mert a fizikai folyamat, amely során a Higgs-bozon müonokra bomlik, nagyon ritka: csupán minden ötezredik bomlás eredményez müonokat. Az új eredmény így az alapkutatásban döntő fontosságú, mivel elsőként mutatja meg, hogy a Higgs-bozon kölcsönhatásba lép az elemi részecskék második generációjával, és így azok is tőle nyerik a tömegüket. (Az univerzum alapvető összetevőjének tartott müon az elektron nehezebb társa, de míg az elektronokat az első részecske-generációba sorolják a fizikusok, addig a müon a második generációhoz tartozik.) 

Két proton ütközése után egy Higgs-bozon áll elő a Nagy HadronütköztetőbenFotó: Wikimedia Commons

Az Eiffel-torony és a müonok

Mindezt a Nagy Hadronütköztető két hatalmas detektorával folytatott kísérletek bizonyították. Az egyik a 21 méter hosszú, 16 méter átmérőjű, nagyjából 12500 tonna tömegű – állítólag az Eiffel-toronynál is több vasat tartalmazó – 2003-ban megépített Kompakt Müon Szolenoid (Compact Muon Solenoid, CMS). A másik az ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS, Toroidális LHC apparátus) nevezetű, 45 méter hosszú és 25 méter átmérőjű, 7000 tonnás 2008-ban üzembe állított detektor. 

A Kompakt Müon Szolenoid (CMS) és egyik szerelője a Nagy Hadronütköztetőben (LHC)Fotó: FABRICE COFFRINI/AFP

A Wigner Fizikai Kutatóközpont ismertetése szerint „a Higgs-bozon a hasonló elnevezésű mező kvantumos megjelenése, amely a vele kölcsönható elemi részecskéknek tömeget ad. Azáltal, hogy megmérik a Higgs-bozon különféle részecskékre történő bomlásait, a fizikusok ki tudják következtetni a mezővel való kölcsönhatásuk erősségét: minél nagyobb egy bomlás gyakorisága, annál erősebb a kölcsönhatás”. 

Bomlások és mérések

Az ATLAS és CMS kísérletek eddig megfigyelték már a W- és Z-bozonokra, nehezebb, harmadik generációs fermionokra (például tau-leptonra) való bomlást. A kölcsönhatást a nehéz kvarkokkal (b-kvark és t-kvark) 2018-ban mérték meg. A müonok sokkal könnyebbek, emiatt a Higgs-mezővel való kapcsolatuk is gyengébb, így a Higgs-bozon és a müonok közötti kölcsönhatás nyomait csak most tudták felfedni az LHC-n.

A mérések során különösen nagy kihívást jelent, hogy az LHC-n minden egyes müonos Higgs-bozon bomlásra több ezer olyan müonpár esik, amelyek más folyamatok révén keletkeztek, de nagyon hasonló jeleket hagynak a detektorokban. A keresett bomlást tartalmazó események jellemzője, hogy a müonpárok tömege 125 milliárd elektronvolt, vagyis 125 GeV körüli érték, amely a Higgs-bozon tömege. A mérés nem egyszerű: mérni kell a müonok energiáját, lendületét és kirepülési szögüket. A kutatók a kiértékelés érzékenységét többféle olyan technikával javították, mint például a háttér kifinomult modellezése és a gépi tanulási algoritmusok alkalmazása. A CMS négy különálló elemzést kombinált, mindegyiküket a bomlás speciális jeleinek felismerésére optimalizálták.

A Kompakt Müon Szolenoid (CMS) és egy másik szerelője a Nagy Hadronütköztetőben (LHC)Fotó: FABRICE COFFRINI/AFP

Magyarországról az MTA-ELTE Lendület CMS Részecske- és Magfizikai Kutatócsoport, az Eötvös Loránd Tudományegyetem, a Wigner Fizikai Kutatóközpont, a debreceni Atommagkutató Intézet, valamint a Debreceni Egyetem mintegy negyven kutatója és diákja vesz részt a CMS kísérletben. A Wigner Fizikai Kutatóközpont kutatói fontos szerepet játszottak a CMS belső szilícium nyomkövető detektorainak működtetésében és továbbfejlesztésében, míg a debreceni kollégáik a müonokat érzékelő külső detektorok helyzetmeghatározó rendszerén dolgoztak. Mindkét detektor nélkülözhetetlen a müonok felismerésében. Az MTA-ELTE csoport tagjai az eseményeket valós időben kiválogató triggerek hatékonyságának és az adatok pontos mennyiségét meghatározó mérésekben vállaltak szerepet.

(Via Wigner Fizikai Kutatóközpont)

Korábbi kapcsolódó cikkeink: