W Warszawie analizujemy dane zebrane przez eksperyment CMS poszukując przypadków zderzeń w których wśród dziesiątek cząstek zarejestrowanych w detektorze zaobserwowano między innymi cząstki pochodzące z rozpadu dwóch leptonów tau. Stwierdzenie, że w zderzeniu powstały dwa leptony tau pozwala przypuszczać, że pochodzą one z rozpadu cząstki Higgsa na lepton tau i antylepton tau. Niestety cząstki pochodzące z rozpadów bozonu Higgsa lub leptonów tau mogą powstać także w innych procesach. Takie procesy nazywamy tłem. W Warszawie zajmujemy się metodami przewidywania w ilu zderzeniach oczekujemy pojawienia się takich samych cząstek jak pochodzących bozonu Higgsa, czyli “szacowania tła”.

Rozkład masy policzonej dla dwóch leptonów tau zaobserwowanych w detektorze CMS. Kolor żółty oznacza leptony pochodzące z rozpadu cząstki Z. Przerywana niebieska linia pokazuje jak wyglądałby wykres gdyby w zderzeniach był produkowany także bozon Higgsa.

Większość znanych i hipotetycznych cząstek elementarnych rozpada się prawie natychmiast po wytworzeniu, więc ich badanie polega na analizie ich produktów rozpadu, które mogą być zarejestrowane w detektorze. Mając kierunki lotu i energie cząstek i zakładając że powstały w wyniku rozpadu jakieś innej cząstki można obliczyć masę tej początkowej cząstki. Jeżeli do obliczeń wzięliśmy dwie cząstki naprawdę pochodzące z rozpadu np. bozonu Higgsa narysujemy na histogramie wartości obliczone dla wielu zderzeń proton-proton będzie widać zgrupowanie w okolicach masy cząstki.

Schematyczne przedstawienie rozpadu bozonu Higgsa na dwa leptony tau, i następującego po tym rozpadu taonów na mion, neutrina i piony (hadrony oznaczone jako pi).

Analiza poszczególnych kanałów rozpadu jest na tyle skomplikowana, że każda grupa badawcza zajmuje się tylko wybranymi kanałami. W Warszawie, we współpracy z naukowcami z Ecole Polytechnique (Paryż, Francja) bierzemy udział w poszukiwaniu bozonu Higgsa w rozpadzie na dwa leptony tau. Leptony tau też rozpadają się na wiele sposobów, a my zajmujemy się przypadkami w których jeden lepton rozpadł się na neutrina i mion, drugi na cząstki oddziaływające silnie (hadrony) i neutrina (patrz schemat na rysunku obok). Znajdowanie przypadków w których pojawił się lepton tau, a następnie rozpadł na hadrony jest szczególnie trudne, ponieważ w każdym zderzeniu powstają setki hadronów i bardzo często wyglądają tak samo jak te pochodzące z rozpadu taonów. Efekt jest taki, że znakomita większość przypadków które wybieramy zawierają cząstki które albo nie pochodzą z rozpadu taonów, albo taony w tych przypadkach nie pochodzą z rozpadu cząstki Higgsa.

Rysunek obok pokazuje rozkład masy obliczonej dla dwóch taonów znalezionych w przypadkach zderzeń proton-proton (czarne punkty) oraz przewidywania oparte na symulacjach komputerowych (kolorowe histogramy). Niebieska linia pokazuje wkład od rozpadów cząstki Higgsa. Jak widać wynosi on tylko około 15 przypadków dla masy 120, kiedy w tym samym miejscu obserwujemy około 1500 przypadków pochodzących z innych procesów! Odkrycie nowej cząstki można zadeklarować tylko wtedy gdy jesteśmy pewni, że wiemy ile przypadków oczekujemy zakładając, że cząstki Higgsa nie ma. Porównując nasze przewidywania z obserwacjami możemy powiedzieć, że bozon Higgsa istnieje, jeśli zaobserwujemy znacząco więcej przypadków. W Warszawskiej grupie CMS naukowcy i studenci zajmują się metodami szacowania liczby przypadków w których hadrony niepochodzące z rozpadu taonów zostały niewłaściwie zidentyfikowane jako produkty rozpadu taonów (fioletowy kolor na rysunkach powyżej).

Aktywność systemu komputerowego GRID 27.06.2012. Kolorowe punkty na mapie oznaczają ośrodki komputerowe, linie oznaczają wymianę danych między ośrodkami.

W naszej pracy piszemy programy komputerowe (w językach C++ i Python) do analizy danych zapisanych przez detektor CMS. Analizujemy miliardy przypadków pochodzących ze zderzeń w LHC oraz z symulacji komputerowych, które zajmują setki Terabajtów. Do analizy wykorzystujemy GRID komputerowy – zespół tysięcy komputerów rozproszonych po całym świecie. Nasi studenci wysyłają w GRID tysiące zadań obliczeniowych, które wykonywane są na komputerach w Polsce w ośrodkach CIŚ i ICM, w CERN czy w ośrodkach w Stanach Zjednoczonych.

W latach od 2015 do 2019 badania te były współfinansowane przez Narodowe Centrum Nauki w ramach projektu “Rozpady na leptony tau – narzędzie do badania własności bozonu Higgsa za pomocą eksperymentu CMS przy LHC” numer 2014/13/B/ST2/02543