Z tego, co wiadomo, w fizyce są cztery siły, które wprawiają świat w ruch: silne oddziaływanie jądrowe, oddziaływanie elektromagnetyczne, słabe oddziaływanie jądrowe i oddziaływanie grawitacyjne. Model Standardowy świetnie opisuje oddziaływania między trzema pierwszymi oddziaływaniami. A ogólna teoria względności z kolei tłumaczy grawitację. Problem w tym, że te dwa opisy pasują do siebie jak pięść do nosa: chociaż dobrze wyjaśniają świat, to robią to innymi językami - nie łączą się ze sobą. Trzeba więc znaleźć jakiś wytrych, który połączy w spójną całość cztery oddziaływania - najlepiej zaobserwować zjawisko fizyczne, którego Model Standardowy wyjaśnić nie umie.

I tak właśnie od 2010 roku w akceleratorze LHC przy CERN trwają badania nad bozonami Higgsa oraz poszukiwania śladów fizyki wykraczającej poza Model Standardowy. Tym razem zespół naukowców pracujących w LHC przy detektorze ATLAS postanowił poszukać nowej fizyki, analizując potencjalne zderzenia bozonów Higgsa - a więc interakcje najbardziej masywnych znanych dotąd bozonów. Dzięki temu o bozonach wiemy więcej - ale śladów nowej fizyki dalej brak - silniejsze ograniczenia na zjawiska "nowej fizyki".

Fizycy z eksperymentu ATLAS skoncentrowali się w niej na zdarzeniach prowadzących do powstania dwóch bozonów Higgsa, które rozpadałyby się następnie na wiele cząstek z rodziny leptonów (głównie na elektrony i miony). Wyniki - streszczone w przesłanym PAP komunikacie IFJ PAN - zaprezentowano na łamach czasopisma fizycznego "Journal of High Energy Physics".

Produkcja par bozonów Higgsa może zachodzić w ramach samego Modelu Standardowego. Jednak jest tu ona tak rzadkim procesem, że jego zaobserwowanie w dotychczas zebranych danych nie było możliwe.

Istnieją jednak modele teoretyczne opisujące zjawiska wykraczające poza Model Standardowy, przewidujące tworzenie się par bozonów Higgsa z większym prawdopodobieństwem. Obserwacja przypadków takiej produkcji przy użyciu już zebranych danych potwierdziłaby istnienie dotychczas nieznanej klasy zjawisk fizycznych. Nic więc dziwnego, że dla naukowców z eksperymentu ATLAS właśnie ten proces stał się punktem wyjścia do przeprowadzenia opisywanej analizy.

"W zderzeniach protonów w akceleratorze LHC bozony Higgsa pojawiają się tak rzadko, że dotychczas nie wykryto ani jednego przypadku jednoczesnej produkcji dwóch higgsów, co na pierwszy rzut oka wydaje się absolutnie niezbędne, jeśli chcemy się przyglądać interakcjom między tymi cząstkami. Jak zatem badać zjawisko, które nie zostało jeszcze zaobserwowane?" - pyta cytowany w komunikacie dr Bartłomiej Żabiński, fizyk z IFJ PAN koordynujący prace międzynarodowego zespołu odpowiedzialnego za omawianą analizę.

Przesłanką sugerującą nieoczekiwane właściwości bozonów Higgsa bądź istnienie nowej fizyki byłaby rozbieżność między teoretycznymi przewidywaniami, a rzeczywistymi danymi pochodzącymi z detektorów Wielkiego Zderzacza Hadronów. Operując wyłącznie w ramach Modelu Standardowego, fizycy z eksperymentu ATLAS symulowali więc (wraz z tłem) sygnały, które powinny pojawić się w detektorach w przypadku wystąpienia zjawisk zachodzących z udziałem dwóch bozonów Higgsa. Ostatnim krokiem było porównanie tak otrzymanych wartości z wartościami wynikającymi z dotychczasowych obserwacji. W poszukiwaniu tak rzadkich procesów pomagało użycie uczenia maszynowego opartego na drzewach decyzyjnych.

"Na razie nie zauważyliśmy w danych z naszych detektorów nic, co by się nie zgadzało z Modelem Standardowym. Wynik ten jednak nie wyklucza możliwości istnienia zjawisk 'nowej fizyki', a jedynie informuje, że ich ewentualny wpływ na produkcję par bozonów Higgsa pozostaje zbyt słaby, by można go było zobaczyć w zebranych dotąd danych" - konkluduje dr Żabiński.

W najbliższych latach akcelerator LHC przejdzie istotną modernizację. Jej rezultatem będzie dziesięciokrotne zwiększenie tzw. świetlności wiązek, a dzięki temu ma wystąpić znaczny wzrost liczby rejestrowanych zderzeń protonów.

Naukowcy mają nadzieję, że być może już na początku przyszłej dekady uda się z większej ilości danych wyselekcjonować pierwsze przypadki podwójnej produkcji higgsów i zweryfikować dzisiejsze przewidywania w bezpośrednich obserwacjach zjawiska.

Po stronie polskiej badania były współfinansowane ze środków NCN.

Nauka w Polsce