Eksperyment CMS zamyka ważny rozdział w badaniach nad bozonem Higgsa

Analiza danych zebranych przez CMS pokazuje, że własności cząstki odkrytej w CERN są wciąż zgodne z oczekiwaniami Modelu Standardowego

Od odkrycia bozonu Higgsa przez współprace CMS i ATLAS w 2012 roku, fizycy pracujący z danymi LHC czynią intensywne wysiłki by zmierzyć własności tej nowo odkrytej cząstki. Bozon Higgsa w Modelu Standardowym jest cząstką stowarzyszoną z wypełniającym całą przestrzeń polem, które jest odpowiedzialne za generację masy cząstek elementarnych poprzez mechanizm Brouta-Englerta-Higgsa. Odkrycie z 2012, które było oczekiwana od dziesięcioleci stało się kamieniem milowym dla fizyki przy LHC i doprowadziło do przyznania Nagrody Nobla z fizyki w 2013 roku Peterowi Higgsowi i François Englertowi. Pytaniem wynikającym z tego odkrycia jest to czy nowa cząstka jest tym jedynym bozonem Higgsa przewidywanym przez Model Standardowy, czy może jakimś innym z wielu bozonów Higgsa wciąż czekających na na odkrycie. Od momentu odkrycia fizycy analizujący dane z LHC pracują intensywnie by udzielić odpowiedzi na to pytanie.

 

W tym tygodniu, na 37 Międzynarodowej Konfernencji Fizyki Wysokich Energii (ICHEP)odbywającej się w Walencji w Hiszpanii, i będącą jedną z najważniejszych konferencji dotyczących fizyki cząstek elementarnych, współpraca CMS¹ prezentuje szeroki wachlarz nowych wyników dotyczących bozonu Higgsa. Wyniki te bazują na całości danych ze zderzeń protonów przy energiach 7 i 8 TeV zebranych w latach 2011-2012 podczas tzw. Run-1 LHC. Prezentowane wyniki oparte są o prawie 25 fb^-1 danych i uwzględniają ostateczną kalibrację detektora.

Rozpad na parę fotonów

Bozon Higgsa jest cząstką niestabilną – rozpada się on na pary lżejszych cząstek prawie natychmiast po tym jak zostanie wyprodukowany w zderzeniu w LHC. Jednym z możliwych „kanałów rozpadu” jest ten, w którym bozon Higgsa zmienia się w dwa fotony. Najnowszy wynik CMS dla tego rozpadu wykazuje istnienie w danych piku o istotności statystycznej 5σ (gdzie σ to odchylenie standardowe), co odpowiada prawdopodobieństwu mniejszemu niż jeden na 3.000.000, że ów pik jest spowodowany losową fluktuacją tła przy braku rzeczywistego sygnału. Rysunek 1 pokazuje wyraźny sygnał bozonu Higgsa ponad tło widoczny w danych. CMS zmierzył również masę bozonu Higgsa z precyzją kilku promil z niepewnością systematyczną czterokrotnie mniejszą niż w poprzednim wstępnym pomiarze.

 

Precyzja nowego pomiaru – kilka promil – pozytywnie weryfikuje project detektora CMS, który był nim inspirowany, świadczy też o dobrym działaniu i kalibracji detektora podczas całego Run-1. Ukazuje ona również niestrudzony wysiłek zespołów badawczych włożony w zrozumienie wszystkich aspektów działania detektora.

 

Wyniki z połączenia różnych kanałów rozpadowych i procesów produkcji

Analiza w kanale z parą fotonów kompletuje zestaw pomiarów z danymi z Run-1 przy użyciu ostatecznej kalibracji detektora CMS, obejmujących pięć głównych kanałów rozpadowych bozonu Higgsa [2,3,4,5]. Otwiera to drogę do wstępnego połączenia wszystkich dotąd obserwowanych kanałów rozpadu w celu wydobycia maksymalnie wielu informacji dotyczących własności nowego bozonu, w tym jego sprzężeń do innych cząstek elementarnych [6]. Stosunek obserwowanego sygnału bozonu Higgsa do oczekiwanego w ramach Modelu Standardowego otrzymany za pomocą najlepszego dopasowania do danych we wszystkich badanych kanałach wynosi 1,00 ± 0,13, co jest zgodne z najlepszymi dostępnymi odliczeniami teoretycznymi. Ponadto, gdy dane są użyte by wyznaczyć własności poszczególnych procesów produkcji i rozpadów bozonu Higgsa, nie stwierdzono istotnych odchyleń od oczekiwań Modelu Standardowego (Rys. 2.).

Dodatkowo, oprócz wyników dotyczących sprężeń, dokonano pomiaru masy łącząc pomiary z kanałów rozpadowych na parę fotonów i ZZ→4ℓ w wyniku czego otrzymano m_H = 125,03 ± 0,30 GeV.

Podsumowując, wyniki te są imponującym osiągnięciem będącym kulminacją czterech lat żmudnych wysiłków, które rozpoczęły się wraz z pierwszymi poszukiwaniami bozonu Higgsa w roku 2010.

„Po pół wieku poszukiwań, jest niezwykłą radością złożyć w całość układankę Higgsa, stojąc na ramionach gigantów – zarówno tych, którzy budowali eksperymenty, jak i tych, którzy prowadzili obliczenia Modelu Standardowego” – mówi profesor Jim Olsen (Princeton University) obecny koordynator Higgs Analysis Group w CMS.

 

Wreszcie, struktura spinowa bozonu Higgsa była próbkowana z niespotykaną dotąd precyzją w badaniach dotyczących anomalnych sprzężeń do bozonów wektorowych. Jeśli nowa cząstka jest rzeczywiście bozonem Higgsa to powinna być skalarem tj. cząstką o zerowym spinie i dodatniej parzystości. Wykonano niezależne analizy kanałów rozpadowych WW→2ℓ2ν [7] i ZZ→4ℓ [8] testujące alternatywne do oczekiwanej hipotezy spinu i parzystości nowej cząstki. Po raz pierwszy sprawdzono również możliwość, iż ta nowa cząstka jest mieszanką stanów o różnej parzystości. W wyniku tych testów pokazano, że wszystkie alternatywne hipotezy znacząco gorzej opisują dane niż hipoteza cząstki skalarnej oczekiwanej w ramach Modelu Standardowego.

 

Wraz z niedawną publikacją CMS w Nature Physics dającą silne wskazanie, że bozon Higgsa rozpada się na fermiony [9], nowe wyniki prezentowane w Walencji dostarczają silnych argumentów za naturą bozonu Higgsa zgodną Modelem Standardowym.

 

Kompletując wyniki z danymi Run-1, eksperyment CMS koncentruje się na przygotowaniach do Run-2, podczas którego energia zderzeń LHC zostanie podwyższona do 13 TeV przy równoczesnym istotnym wzroście świetności, tj. intensywności zderzeń. Współpraca CMS oczekuje, z potężniejszym akceleratorem i zmodernizowanym detektorem, nowych fascynujących wyników dotyczących bozonu Higgsa podczas Run-2.

Andre Tinoco Mendes, badacz z CERN, który referuje wyniki CMS na konferencji ICHEP w Walencji podkreśla – „Trzeba zebrać więcej danych i poprawić obliczenia aby otrzymać ostrzejszy obraz i w pełni wykorzystać potencjał LHC”.

 

Bibliografia

[1] CMS Collaboration, “Observation of the diphoton decay of the Higgs boson and measurement of its properties”,arXiv: 1407.0558, submitted to Eur. Phys. J. C.

[2] CMS Collaboration, “Search for the standard model Higgs boson produced in association with a W or a Z boson and decaying to bottom quarks”, Phys. Rev. D 89 (2014) 012003, doi:10.1103/PhysRevD.89.012003.

[3] CMS Collaboration, “Measurement of Higgs boson production and properties in the WW decay channel with leptonic final states”, JHEP 01 (2014) 096, doi:10.1007/JHEP01(2014)096.

[4] CMS Collaboration, “Measurement of the properties of a Higgs boson in the four-lepton final state”, Phys. Rev. D 89 (2014) 092007, doi:10.1103/PhysRevD.89.092007.

[5] CMS Collaboration, “Evidence for the 125 GeV Higgs boson decaying to a pair of τ leptons”, JHEP 05 (2014) 104, doi:10.1007/JHEP05(2014)104.

[6] CMS Collaboration, “Precise determination of the mass of the Higgs boson and studies of the compatibility of its couplings with the standard model”, Physics Analysis Summary, CMS-PAS-HIG-14-009, http://cds.cern.ch/record/1728249?ln=en

[7] CMS Collaboration, “Constraints on Anomalous HWW Interactions using Higgs boson decays to W+W- in the fully leptonic final state”, Physics Analysis Summary, CMS-PAS-HIG-14-012, http://cds.cern.ch/record/1728250?ln=en

[8] CMS Collaboration, “Constraints on anomalous HVV interactions using H to 4l decays”, Physics Analysis Summary, CMS-PAS-HIG-14-014, http://cds.cern.ch/record/1728251?ln=en

[9] CMS Collaboration, “Evidence for the direct decay of the 125 GeV Higgs boson to fermions”, Nature Physics advance online publication (2014), doi:10.1038/nphys3005.