Boldog 10. születésnapot, Higgs-bozon!
A Higgs-bozon 10 évvel ezelőtti felfedezése óta a nagy hadronütköztető (Large Hadron Collider, LHC) gyorsítóban végzett legátfogóbb méréssorozat megerősíti a részecskefizika standard modelljét – derül ki két, az LHC harmadik kísérleti fázisának indítását megelőző napon publikált tanulmányból.
A Nature-ben hétfő délelőtt közölt eredmények az LHC két kolosszális detektorának, az ATLAS-nak, illetve a CMS-nek a Higgs-bozonra vonatkozó legújabb, 2015 és 2018 között végzett 10 ezer billió proton-proton ütközésből eredő adatait mutatják be – a kísérlet alatt a szakemberek 8 millió Higgs-bozont figyeltek meg.
A Higgs-bozon 2012. július 4-én bejelentett felfedezése a CERN (Európai Nukleáris Kutatási Szervezet) LHC részecskegyorsítójában az ismert elemi részecskéket, valamint a gravitáción kívül az alapvető kölcsönhatásokat leíró standard modell egyik kulcselemének, a Higgs-térnek a létezését igazolta. Ez az egész univerzumot betölti, és többek közt a minket alkotó atomokban található protont és neutront felépítő kvarkok, valamint az elektronok tömegét biztosítja. A Peter Higgs brit elméleti fizikusról elnevezett részecske évtizedekkel korábbi előrejelzéséért a kutató – François Englert belga fizikussal együtt – 2013-ban elnyerte a fizikai Nobel-díjat.
„A Higgs-bozon felfedezése monumentális mérföldkő volt a részecskefizikában. Lezárt egy több évtizedes felfedezési időszakot, és megnyitott egy új érát ennek a nagyon különleges részecskének a vizsgálatával. Tele vagyok érzelmekkel, amikor visszaemlékszem a bejelentés napjára, amely mérhetetlen örömöt adott a nemzetközi részecskefizikai közösségnek és mindenkinek, akik évtizedeken át azon dolgoztak, hogy ezt a felfedezést lehetővé tegyék – mondta el a CERN vezetője, Fabiola Gianotti.
Az elmúlt 10 évben a kutatók a felfedezéshez szükségeshez képest 30-szor több Higgs-bozont figyeltek meg, ami lehetővé tette a viselkedésének és tulajdonságainak sokkal precízebb meghatározását. Ezek az eredmények hibahatáron belül eddig mind egyetértettek a standard modell előrejelzéseivel. Most, három évnyi fejlesztés és karbantartás után a CERN hétfői közleménye szerint július 5-én kezdődik az LHC harmadik adatgyűjtési periódusa, miután a részecskegyorsítót áprilisban újraindították – az adatgyűjtés egészen 2026-ig tart majd.
Eddig minden stimmel a standard modellel
A világ legnagyobb, 27 kilométeres kerületű részecskegyorsítója, az LHC több specializált műszer mellett két nagy detektorral rendelkezik, az ATLAS-szal (Egy Toroidális LHC Apparátus) és a CMS-szel (Kompakt Müon Szolenoid), amelyeknek azonosak a tudományos céljai, de más technológiai megoldásokat és mágneses rendszereket használnak azok eléréséhez. Az LHC-ben a részecskék az ATLAS és CMS detektorok középpontjában ütköznek, és új részecskéket generálnak, amelyek minden irányba szétrepülnek onnan.
A 7 ezer tonnás, 46 méter hosszú, 25 méter szélességű és magasságú ATLAS-ban hat különböző alrendszer detektálja a keletkező részecskéket, amelyeket rétegekben helyeztek az ütközési pont körül. Ezek rögzítik útvonalukat, perdületüket és energiájukat, és lehetővé teszik, hogy egyenként azonosítani lehessen őket. A perdület mérését egy hatalmas mágneses rendszer teszi lehetővé, amely módosítja a töltött részecskék útvonalát. Az ATLAS kísérleten több mint 5500 kutató dolgozik, 42 országból, és a detektor által termelt elképesztő adatmennyiség rögzítését szofisztikált számítógépes rendszerek segítik. A 21 méter hosszú, 15 méter széles és magas CMS detektort egy óriási szolenoid mágnes köré építették, amely így olyan mágneses teret képes előállítani, amely a Föld mágneses terének erősségét 100 ezerszeresen szárnyalja túl. A 14 ezer tonnás detektor adatait az ATLAS-hoz hasonlóan nagyjából 5500 szakember elemzi, 54 országból.
Az ATLAS kollaboráció a 2015-2018 közti, rekordméretű, 13 teraelektronvoltos (TeV) ütközési energiákat elérő, második LHC kísérleti periódus adataiból páratlan mennyiségű Higgs-bozon képződési és bomlási folyamatainak megfigyelését állította össze ahhoz, hogy tanulmányozzák a hozzávetőleg 125 gigaelektronvolt tömegű Higgs-bozon elemi részecskékkel való kölcsönhatását. A Higgs-bozonok egy komplikáltnak hangzó folyamatban, a protonok által tartalmazott gluonok ütközéséből keletkező, kvark és anti-kvark pároknak a Higgs-térrel való erős interakciójából jönnek létre, majd egy szempillantás alatt lebomlanak.
Az ATLAS kutatói különösen részletesen vizsgálták a Higgs-bozon gluonokkal, fotonokkal, W- és Z-bozonokkal való interakcióját, amelyek ebben a sorrendben a három alapvető kölcsönhatás, a kvarkok közötti erős, elektromágneses és gyenge közvetítéséért felelősek. Míg az elektromágneses kölcsönhatás közismert, az erős interakció a protonokban és neutronokban lévő kvarkok gluonok általi, illetve maguknak a protonoknak és neutronoknak az atommagban mezonok révén való összetartásáért felel, míg a gyenge kölcsönhatás az atomok radioaktív bomlásáért felelős, és így részt vesz a Nap belsejében zajló, a földi élethez nélkülözhetetlen fúziós folyamatokban is. A negyedik alapvető kölcsönhatás a gravitáció, melynek az általános relativitáselméletet és kvantummechanikát egyesítő elméleti leírása jelenleg is aktív kutatási terület.
A szakemberek a Higgs-bozon harmadik generációs, legnehezebb ismert anyagi részecskékkel – alsó (bottom) és felső (top) kvarkok, tau leptonok – való interakcióját is sikeresen megmérték, 7–12 százalékos pontatlansággal, míg a második generációs részecskékkel (müonok) való interakciójának jelei még csak most kezdenek felbukkanni. A szintén legnehezebb részecskék közé tartozó W- és Z-bozonok esetén a mérések pontatlansága 5 százalékos volt, míg korábban háromszor akkora, 15 százalékos.
A mérések összességében mind arra vezettek, hogy a Higgs-bozon figyelemre méltóan egybevág az elméleti előrejelzésekkel, és szigorú határokat szab a standard modellen túlmutató hipotéziseknek. Az ATLAS kutatói szerint azonban hátra van még a Higgs-bozon kulcsfontosságú tulajdonságainak, így önmagához való kapcsolódásának mérése, illetve egyes ritkább bomlási módjainak megfigyelése. Az LHC következő években való fejlesztésének hála a mérések pontatlansága tovább csökken majd a kutatók szerint, míg az adatmennyiség 20-szorosára nő majd, ami jelentős előrehaladást tesz lehetővé ezeken a területeken.
A CMS kollaboráció a Higgs-bozont számos bomlási csatornán figyelte meg, meghatározta tömegét, és különböző módozatú képződését. A szakemberek a Higgs-bozon tömegét 125,38 (+- 0,14) gigaelektronvoltban állapították meg, és kiderült az is, hogy a Higgs-bozon közvetlenül kapcsolódik az alsó kvarkokhoz, tau leptonokhoz és müonokhoz, amit a Higgs felfedezésekor még nem figyeltek meg. Bizonyítást nyert az is, hogy skaláris bozonról van szó, egy olyan részecskéről, amelynek nulla a spinje, azaz a perdülete. A CMS detektor a szakemberek szerint jelenleg megközelíti a Higgs-bozon úgynevezett charm kvarkokhoz való kapcsolódásának észleléséhez szükséges érzékenységet.
A 10 százalékos vagy alacsonyabb bizonytalanságú mérések mellett a kutatók szerint az eredmények kompatibilisek a standard modellel, annak ellenére, hogy számos bizonyíték mutat arra, hogy a standard modell csak egy alacsony energiájú megközelítése egy átfogóbb elméletnek. Egyes ilyen, standard modellel felmerülő problémák az univerzum nagy skálájú, kozmológiai megfigyelésével, mások a Higgs-bozon fizikájával függenek össze, arra motiválva a kutatókat, hogy mélyebbre ássanak a Higgs-fizikában. Ehhez még több mérésre lesz szükség, amire a CMS-en dolgozó szakemberek szerint a jelenlegi adathalmaz 2025-ig való megduplázódásával nem kell már sokat várni.
„Egy ilyen Higgs-bozon-portré elkészítése az LHC beüzemelése előtt teljesen elképzelhetetlen volt. Ennek az eredménynek sokrétű okai vannak, beleértve az LHC, az ATLAS és CMS detektorok páratlan teljesítményét, és az alkalmazott leleményes adatfeldolgozási technikákat” – mondta a CMS szóvivője, Luca Malgeri.
A tanulmányokkal egy időben közölte a Nature-ben Giulia Zanderighi, a münichi Max Planck Fizikai Intézet kutatója azt a cikket, amely a Higgs-bozon jelentőségét, az elmúlt 10 év kutatómunkáját és a Higgs standard modellen túlmutató fizikával való összefüggését tekinti át.
Holnap kezdődik a harmadik LHC kísérleti program
A CERN közleménye szerint a következő négy évben az LHC 13,6 teraelektronvolt energiájú ütközésekkel dolgozik majd, miután az operátorok bejelentik a stabil részecskenyalábok létrehozását – amely ahhoz szükséges, hogy a kísérleti berendezések összes alrendszerét bekapcsolják és megkezdődhessen az adatgyűjtés az ATLAS, CMS, illetve LHCb és ALICE detektorokban. A kutatók a következő években az univerzumot nagyon korai állapotában kitöltő kvark-gluon plazmát is vizsgálják majd minden korábbinál nagyobb pontossággal, és az univerzum 85 százalékát alkotó sötétanyag-jelöltek után kutatnak majd, amiben a Higgs-bozon vizsgálata közvetve is segíthet.
A 2029-től induló, 14 teraelektronvoltos ütközési energiákat elérő „high luminosity LHC” fejlesztés, amely erősebb mágneseket és jobb hűtést ad majd a részecskegyorsítónak, a CMS kollaboráció kutatói szerint a 2030-as években 10-szer több adat generálását alapozza meg. Ez pedig lehetővé fogja tenni a Higgs-bozon-párok képződésének még pontosabb vizsgálatát, a charm kvarokokkal való kapcsolódásának tanulmányozását, és egzotikus bomlási csatornák keresését, ami potenciálisan betekintést enged a standard modell utáni fizikába.
Vannak azonban olyan kérdések, amelyekre várhatóan a fejlesztésen átesett LHC sem tud majd válaszolni. Ehhez a szakemberek szerint egy új „Higgs-gyár” létrehozására lesz szükség, ezért a CERN és nemzetközi partnerei jelenleg egy sokkal nagyobb és magasabb energiaszinteket elérő részecskegyorsító tervezésén dolgoznak. Amint arról még 2019-ben beszámoltunk, a „jövőbeli gyorsító gyűrű” (Future Circular Collider) elnevezésű, 100 kilométeres kerületű részecskegyorsító 100 billió elektronvoltos energiákon dolgozna, és a kutatók reményei szerint tágra nyitná a standard modell utáni fizika kapuit.
Kapcsolódó cikkek a Qubiten:
