A CERN CMS kísérletének új eredménye fontos mérföldkő a Higgs-bozon vizsgálatában, különös tekintettel a bozon és a standard modell szerint az anyagot felépítő elemi részecskék kölcsönhatásának tulajdonságaira. A kutatók az érdekes eredményt ma küldték be közlésre a Physical Review Letters című vezető nemzetközi folyóiratba [arXiv:1808.08242].
2012. július 4-én a CERN Nagy Hadronütköztetőjének (LHC) két kísérlete, az ATLAS és a CMS, egymástól függetlenül jelentették be a Higgs-bozon felfedezését. A bejelentés akkor világszerte a főcímekbe került, hiszen megerősítette a standard modell utolsó hiányzó elemi részecskéjének létezését, fél évszázaddal azután, hogy a Higgs-bozont elméletileg megjósolták. A felfedezés egyben egy kísérleti program kezdetét is jelezte, amelynek célja az új bozon tulajdonságainak meghatározása. A CERN-ben ma tartott szemináriumon [cms.cern/higgs-observed-decaying-b-quarks-submitted] bejelentett eredmények jól illeszkednek a korábbi bejelentések sorába: a CMS együttműködés kutatói a közelmúltban figyelték meg [PRL 120 (2018) 231801] a Higgs-bozon és a t-kvark – a legnehezebb részecske – csatolódását is.
A standard modellben a Higgs-bozon csatolódhat az anyag építőköveihez, a kvarkokhoz és a leptonokhoz, a részecske tömegével arányos csatolási erősséggel. (Világunk látható anyagát javarészt protonokba és neutronokba zárt könnyű kvarkok és a körülöttük keringő elektronok alkotják.) A b-kvark a legnehezebb olyan részecske, amely könnyebb, mint a Higgs-bozon tömegének fele. Így a bozon közvetlenül egy b-kvarkra és egy b-antikvarkra is bomolhat. Az ilyen bomlások gyakorisága összefüggésben van a csatolási erősség – és ezen keresztül a b-kvark tömegének – négyzetével: a csatolás ezért elég nagy ahhoz, hogy ez a bomlás közvetlenül megfigyelhető legyen. A CMS együttműködés mellett az ATLAS kísérlet is hasonló eredményre jutott.
A Higgs-bozon leggyakrabban b-kvarkokra bomlik, vagyis egy b-kvark és egy b-antikvark együttesen keletkezik a nehéz – mintegy 130 protontömegnyi – Higgs-bozonból. Ennek megfigyelése mégis komoly kísérleti kihívást jelentett, aminek oka az volt, hogy nagyon sok más (háttér) folyamat létezik, amely utánozhatja a keresett ütközési végállapotot. Olyan különleges folyamatokra kellett összpontosítani, ahol a Higgs-bozon egy W- vagy Z-bozonnal együtt keletkezik, így a hátteret jelentősen le lehetett csökkenteni. Sajnos a fenti folyamat meglehetősen ritka, ezért igen nagyszámú ütközési eseményt kellett átvizsgálni, hogy megtalálják a keresett jelet, de szerencsére az LHC 2016-os és 2017-os kiváló teljesítménye lehetővé tette ezt.
“A CMS kutatóinak leleményessége, a korszerű és kifinomult kiértékelési eszközök – mint a gépi tanulás –, a detektorrendszer kiváló teljesítménye és a hatalmas rendelkezésre álló adatkészlet mind hozzájárultak ahhoz, hogy a várakozásoknál korábban elértük ezt az eredményt” – mondta Veszprémi Viktor, az MTA Wigner FK CMS csoportjának helyettes vezetője.
Magyarországról az MTA Wigner Fizikai Kutatóközpont, az MTA-ELTE Lendület CMS Részecske- és Magfizikai Kutatócsoport, az Eötvös Loránd Tudományegyetem, a debreceni MTA Atommagkutató Intézet, valamint a Debreceni Egyetem mintegy negyven kutatója és diákja vesz részt a CMS együttműködés munkájában.
“A Wigner kutatói fontos szerepet játszottak a CMS szilícium nyomkövető detektorainak működtetésében és továbbfejlesztésében, amely a b-kvarkokból származó hadronok záporainak felimerésében nélkülözhetetlen. Az MTA-ELTE csoport az eseményeket valós időben kiválogató elektron triggerekért vállalt felelősséget, amelyek ez esetben a Higgs-bozonnal együtt keletkező W- és Z-bozonok bomlásából kirepülő elektronok jelenlétét vizsgálták. A debreceni együttműködők a szintén W- és Z-bozonokból származó müonokat érzékelő detektorok helyzetmeghatározó-rendszerén dolgoztak, amely lehetővé teszi a müonok impulzusának pontos mérését.” – teszi hozzá Pásztor Gabriella, MTA-ELTE Lendület csoportvezető.
A Higgs-bozon és a b-kvark csatolásának megmérésével – továbbá a t-kvarkkal és tau-leptonnal való közvetlen kölcsönhatása megfigyelésével – a CMS kísérlet újabb fontos lépést tett az új bozon tulajdonságainak alapos megismerése felé. A kapott csatolási erősségek összhangban vannak az elméleti várakozásokkal, de a mérés jelenlegi pontossága még mindig hagy teret az eddigi ismereteinken túlmutató, új fizikának is. A következő években gyűjtendő sok-sok adat feldolgozásával a pontosság javulni fog, így a Higgs-bozon felfedheti a nagyenergiás fizika még rejtőzködő titkait.
Az alábbi linken elérhetőek Horváth Dezső azon előadásának diái, amelyek a b-kvarkokat is említik, és a melyeket 2018. 08.28-án, kedden mutatott be, a QCD@LHC 2018 Konferencián, Drezdában:
https://indico.cern.ch/event/662485/contributions/3050124/attachments/1…
