Különös jeleket észlelt a hatalmas részecskegyorsító

A CMS detektor karbantartása (illusztráció)

A CERN Nagy Hadronütköztetőjénél (LHC) működő ATLAS és CMS kísérletek a részecskefizikusok jelenleg is zajló nemzetközi konferenciáján egy új, érdekes eredményt jelentettek be: egyértelmű jelét látják, hogy az elemi részecskék tömegéért felelős Higgs-bozon két müonra is tud bomlani - írja a Wigner Fizikai Kutatóközpont közleménye.

A müon az elektron nehezebb társa, egy elemi részecske, a világegyetem anyagának egy összetevője. Amíg az elektronokat az első részecske-generációba soroljuk, addig a müon a második generációhoz tartozik. A fizikai folyamat, amelyben a Higgs-bozon müonokra bomlik, nagyon ritka:

csupán minden ötezredik Higgs-bozon-bomlás eredményez müonokat.

Ez az új eredmény az alapkutatásban döntő fontosságú, mivel

elsőként mutatja meg, hogy a Higgs-bozon kölcsönhat az elemi részecskék második generációjával, és így azok is tőle nyerik a tömegüket.

A Higgs-bozon müonos bomlása

A fizikusok 2012-es felfedezése óta tanulmányozzák az egyedülállóan különleges Higgs-bozon tulajdonságait a CERN-ben. A Higgs-bozon proton-proton ütközésekben keletkezik, majd szinte azonnal más részecskékre esik szét, amit bomlásnak nevezünk. A Higgs-bozon tulajdonságai tanulmányozásának egyik fő módszere a különböző részecskékre való bomlási lehetőségeinek és azok gyakoriságának a vizsgálata.

A CMS-kísérlet a bomlásra jelentős ("3 szigmás") bizonyítékot mutatott be. Ez azt jelenti, hogy annak az esélye, hogy a Higgs-bozon most megfigyelt, müonpárra történő bomlása csak statisztikus fluktuáció, kevesebb, mint 1 a 700-hoz. Az ATLAS "2 szigmás" eredménye gyengébb, a tévedés esélye ott 1 a 40-hez.

A két eredmény kombinálása erős bizonyítékot szolgáltat a Higgs-bozon müonos bomlására.

"A CMS-együttműködésben büszkék vagyunk arra, hogy sikerült a Higgs-bozon müonos bomlását ilyen érzékenységgel megfigyelni, és bemutatni a folyamat első kísérleti bizonyítékát.

Úgy tűnik, hogy a Higgs-bozon második generációs részecskékkel is kapcsolatba lép, a standard modell előrejelzésével összhangban.

Az eredményt még tovább fogjuk finomítani azokkal az adatokkal, amelyeket a következő mérési időszakban fogunk begyűjteni" – mondja Roberto Carlin, a CMS-kísérlet vezetője.

A CMS detektor Forrás: Stvorecz Adrián

Miért fontos a Higgs-bozon?

A Higgs-bozon a hasonló elnevezésű mező kvantumos megjelenése, amely a vele kölcsönható elemi részecskéknek tömeget ad a Brout-Englert-Higgs mechanizmus által.

Azáltal, hogy megmérjük 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.

Az ATLAS- és CMS-kísérletek eddig megfigyelték már a W- és Z-bozonokra, nehezebb, harmadik generációs fermionokra (pl. tau-lepton) 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 GeV körüli érték, amely a Higgs-bozon tömege. A mérés nem könnyű: mérni kell a müonok energiáját, lendületét és kirepülési szögüket. A kiértékelés érzékenységét többféle 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 CMS detektor karbantartása (illusztráció) Forrás: AFP/Valentin Flauraud

Az eredmények, amelyek eddig összhangban vannak a standard modell jóslatával, az LHC által eddig szolgáltatott teljes adatmennyiség feldolgozásán alapulnak. A részecskegyorsító által a következő években és a nagy intenzitású "High Luminosity LHC" szakaszban rögzítendő adatok segítségével az ATLAS- és CMS-kísérletek a kétmüonos bomlás felfedezéshez megkövetelt ("5 szigma") érzékenységet is elérik majd, és képesek lesznek a standard modellen túlmutató elméletek megszorítására is.

Magyar részvétel a kísérletben

Magyarországon 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-együttműködés munkájában. A Wigner FK kutatói fontos szerepet játszottak a CMS belső szilícium nyomkövető detektorainak működtetésében és továbbfejlesztésében, míg a debreceni együttműködők a müonokat érzékelő külső detektorok helyzetmeghatározó rendszerén dolgoztak. Mindkét detektor nélkülözhetetlen a müonok felismerésében. Az MTA-ELTE csoport az eseményeket valós időben kiválogató triggerek hatékonyságának és az adatok pontos mennyiségét meghatározó luminozitásnak a mérésében vállalt szerepet.

(Wigner Fizikai Kutatóközpont; CERN-, CMS-kísérlet)