Poszukiwanie zjawisk wykraczających poza Model Standardowy

Co jeśli jest, a co jeśli nie ma cząstki Higgsa?

Wykluczenie istnienia cząstki Higgsa oznaczałoby, że model standardowy jest tylko teorią efektywną.

W przypadku wykluczenia istnienia cząstki Higgsa pozostaje nam szereg możliwych scenariuszy. Egzotyczne, zupełnie nieznane lub pozornie najprostsze, takie jak np. zmiana sposobu oddziaływania między bozonami W i Z (cząstkami przenoszącymi oddziaływanie słabe) przy wysokich energiach. Jeden z takich scenariuszy jest konieczny – bez niego przewidywania modelu stają się wewnętrznie sprzeczne (np. obliczone na podstawie modelu prawdopodobieństwa stają się większe od jedynki, czyli są niefizyczne). Doświadczalne zbadanie tego fenomenu jest jednak niezwykle trudne, o czym wiemy bardzo dobrze, bo w grupie warszawskiej CMS tym zajmujemy się również tym.

Natomiast znalezienie cząstki Higgsa byłoby wisienką na torcie modelu standardowego. W żaden sposób nie stanowiłoby końca poznawania podstawowych praw natury.

Po pierwsze, odkrycie czegoś wyglądającego jak cząstka Higgsa z modelu standardowego nie oznacza, że nie jest to coś wykraczającego poza ten model. To dopiero trzeba sprawdzić. Zliczając przypadki produkcji par bozonów W przy wysokich energiach, sprawdzamy, czy rzeczywiście mamy do czynienia z bozonem Higgsa przewidzianym przez model standardowy, czy z inną, bardziej egzotyczną cząstką.

Po drugie, jesteśmy jednak przekonani, że model standardowy i tak jest tylko teorią efektywną, gdyż bardzo wielu efektów nie wyjaśnia. W szczególności nie ma kandydata na cząstkę ciemnej materii, której we Wszechświecie jest kilka razy więcej niż tej znanej.

Po trzecie, masa cząstki Higgsa jest podatna na poprawki kwantowe. Albo poprawki te w niezrozumiały dla nas sposób likwidują się, albo jakaś symetria chroni masę Higgsa przed nimi, albo jakaś nieznana fizyka jest do odkrycia przy energii niewiele przekraczającej skalę naruszenia symetrii elektrosłabej.

Wśród rozszerzeń modelu standardowego najbardziej obiecującym jest supersymetria. Postuluje ona symetrię między cząstkami materii (fermionami) a cząstkami przenoszącymi oddziaływania (bozonami). Gdyby symetria ta była dokładna, to obserwowalibyśmy pary cząstek różniące się spinem (fermiony mają spin, czyli wewnętrzny moment pędu połówkowy, a bozony całkowity). Ponieważ tego nie obserwujemy, to supersymetryczni partnerzy muszą mieć większa masę, a sama symetria musi być w jakiś sposób naruszona. W ten sposób mamy cały worek cząstek do odkrycia oraz jedno przewidywanie. Jeżeli ten worek jest do rozwiązania za pomocą LHC, to musimy odkryć cząstkę wyglądającą jak cząstka Higgsa z modelu standardowego o masie nieprzekraczającej 130 GeV/c2.

Supersymetria może przejawiać się na bardzo wiele sposobów. W Warszawie w sposób szczególny zajmujemy się taką jej wersją, w której manifestuje się ona poprzez naładowane masywne długożyciowe cząstki. Wymyśliliśmy sposób jak ich poszukiwać, wykorzystując możliwości detektora CMS wykraczające poza założenia projektowe.