A Higgs-bozon közvetlenül kapcsolódik a legnehezebb kvarkhoz is
Első alkalommal sikerült közvetlenül megmérni a két legnehezebb ismert elemi részecske közti kölcsönhatás erősségét: a CERN-ben működő CMS-kísérlet a Physical Review Letters folyóiratban 2018. június 4-én tette közzé erre utaló eredményeit.
1. ábra A CMS-kísérlet által megfigyelt és rekonstruált proton-proton ütközési esemény, amelyben a Higgs-bozon együtt keletkezett egy t-kvarkkal és egy t-antikvarkkal. A detektorrendszer a nagytömegű részecskéket bomlástermékeiken keresztül azonosítja.
2.ábra A CMS-kísérlet szolenoid mágnese, a 2013-as leállás idején. (CERN / CMS, Michael Hoch)
Világunk látható anyagát javarészt protonokba és neutronokba zárt könnyű kvarkok és a körülöttük keringő elektronok alkotják. A standard modellben a Higgs-bozon kapcsolódhat az anyag építőköveihez, a kvarkokhoz és a leptonokhoz, a részecske tömegével arányos csatolási erősséggel.
A kapcsolódást sok esetben a Higgs-bozon bomlási folyamatain keresztül megfigyelték már, ugyanakkor a nehéz t-kvarkokra való bomlás az energia- és lendületmegmaradás miatt lehetetlen: a Higgs-bozon könnyebb, mint a t-kvark és t-antikvark együttes tömege. (A t-kvark a legnehezebb fermion 172 GeV/c2 tömeggel, míg a Higgs-bozoné csak 125 GeV/c2; összehasonlításul, a proton tömege mindössze 0,94 GeV/c2.)
Így más, alternatív módszerekre volt szükség a két nehéz részecske közti kölcsönhatás feltérképezéséhez. Ilyen lehetőséget nyújt egy Higgs-bozon, egy t-kvark és egy t-antikvark együttes keltése és tanulmányozása (3. ábra). Ezt a különösen ritka folyamatot figyelte meg elsőként a CMS-együttműködés, megvalósítva a Higgs-hez kapcsolódó fizikai program egyik elsődleges célját. A várakozásoknál jóval korábban elért eredmény nemcsak az LHC kiváló teljesítményének, hanem a CMS kutatói által alkalmazott kifinomult elemzési módszereknek is köszönhető.
3. ábra A Higgs-bozon és a t-kvark kapcsolatának megfigyelésére két út is kínálkozik: egy Higgs-bozon keltése egy t-kvark és egy t-antikvark egyesülésével (balra), vagy egy t-kvarkból kilépő (Higgs-)sugárzás formájában (jobbra).
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 standard modell két legnehezebb elemi részecskéje közti kapcsolat megfigyelésével nagyot léptünk előre. A kapott csatolási erősség összhangban van 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, a Higgs-bozon felfedheti a nagyenergiás fizika még rejtőzködő titkait.
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 CMS-együttműködés most megjelent közleménye (PhysRevLett.120.231801) a program fontos mérföldkövének számít.
További információk találhatók a CMS (cms.cern/news/tth-announcement) és a CERN által ma kiadott sajtóközleményben (press.cern/press-releases/2018/06/higgs-boson-reveals-its-affinity-top-quark).
A héten zajló LHCP2018 konferencián (Bologna) az ATLAS-együttműködés is bemutatja legújabb eredményeit (atlas.cern/updates/physics-briefing/observation-tth-production), ahol felhasználták a Debreceni Egyetem munkatársai által készített elméleti szimulációkat is a kísérleti adatok kiértékelése során.
