Higgs-re utaló jelek az LHC kísérleteiben

A Nagy Hadronütköztető (LHC) mindkét fődetektora, az ATLAS és a CMS egyaránt egy könnyűsúlyú Higgsre utaló nyomokra bukkant. Ha sikerül kétséget kizáróan alátámasztani az eredményeket, akkor teljesnek tekinthető a standard modell.

A két detektor közel azonos tömegnél, 125 gigaelektronvoltnál észlelte a Higgs jeleit, egy ilyen tömegű Higgs pedig megnyithatja az utat egy eddig feltérképezetlen terület felé, ennek a pehelysúlynak a stabilizálásához ugyanis legalább egy új részecsketípusra van szükség. "Nagyon izgalmas" - mondta Guido Tonelli, a CMS szóvivője. "Ez lehet a felfedezések első láncszeme."

A részecskék és az erők kölcsönhatását leíró vezető elmélet, a standard modell látványos sikereket könyvelhetett el 1960-as évekbeli felvázolása óta. A modell azonban teljes egészében azon a feltevésen alapul, hogy létezik a Higgs bozon, amit még egyetlen kísérlet sem észlelt. A részecske egy láthatatlan entitás, az úgynevezett Higgs-tér közvetítője, ami az elméletek szerint az összes részecske tömegét adja. A gond csupán az, hogy a standard modell képtelen megjósolni magának a Higgs-nek a tömegét, éppen ezért a fizikusok évek óta keresik a Higgs legegyszerűbb változatait a különböző részecskegyorsítókban. A kísérletek egymás után zárták ki a különböző tömeg-tartományokat, egyetlen szűk rést hagyva 115 és 141 GeV között.

Az LHC fizikusai ezt a tartományt szondázták minden korábbinál alaposabban. Ma Tonelli és az ATLAS detektor vezető tudósa, Fabiola Gianotti külön-külön tárták a közvélemény elé eredményeiket, melyek több mint 300 billió nagy sebességű részecskeütközésből származnak. "Ez az első alkalom, hogy valóban a teljes tömegtartományt fésüljük át a megfelelő érzékenységgel, ami lehetővé teszi, hogy megpillanthassuk, ha ténylegesen van ott valami" - nyilatkozott Tonelli.

Az ATLAS adatok 115 és 131 GeV közé szorítják be a Higgst, a CMS pedig kizárja a 127 GeV-nél nehezebb Higgst. Mindez azonban szinte érdektelennek tűnik amellett, hogy az ATLAS 126 GeV-n, míg a CMS 124 GeV-n észlelt "kiugrásokat" az adataiban. Ez az első eset, hogy a két kísérlet szinte azonos tömegen észlelt jelet. "Nagy a versengés köztünk, de örülünk egymás eredményeinek" - mondta Tonelli. "Eredményük, amit egy teljesen független módszerrel értek el, fontos számunkra."

Bár mindkét csapat megközelítőleg azonos tömegnél észlelte a többletet, ez önmagában még nem elegendő egy felfedezés bejelentéséhez. Az ATLAS 126 GeV-nél mért jele 2,3 szigmás statisztikai jelentőséggel bír, ami megközelítőleg 2 százalék esélyt ad annak, hogy mindez egy véletlen ingadozásnak tudható be, míg a CMS mindössze 1,9 szigmát ért el. A felfedezéshez 5 szigmás jelre lesz szükség, ami azt jelenti, hogy kevesebb mint egy a millióhoz a tévedés esélye. "Ez egyértelműen nem elegendő ahhoz, hogy a kutatás jelen szakaszában bármilyen következtetést levonjunk" - mondta Gianotti. "Lehet hogy valami érdekesre bukkantunk, de az is, hogy csak egy fluktuáció."

Mindezek ellenére már a puszta utalás egy 125 GeV Higgs-re megkönnyebbülést jelenthet számos elméleti tudós számára. Bár a standard modell nem tudja közvetlenül megjósolni a részecske tömegét, arra azonban ad utalásokat, hogyan lépnek kölcsönhatásba más részecskék a Higgs-el, különösen a gyenge magerőkért felelős W és Z bozonok. A korábbi kísérletek bizonyították, hogy a W és Z bozonok súlya 80,4 és 91,2 GeV, amiből kiszámították, hogy a Higgs tömege feltehetően 115 és 130 GeV között helyezkedhet el. Egy 125 GeV-s Higgs tökéletesen megfelel a várakozásoknak, tette hozzá a Nobel-díjas Frank Wilczek, az MIT tudósa.

A tömeg emellett kikövezheti az utat a standard modellen túli fizika előtt. A finom kvantummechanikai hatásoknak köszönhetően egy könnyűsúlyú Higgs-nek szüksége van egy nehezebb kísérő részecskére, ami "egyfajta testőrként funkcionál", magyarázta Tonelli. Máskülönben a kvantum vákuum, amiből a részecskék megjelennek instabil lenne, és a világegyetem már rég széthullott volna. Amennyiben a Higgs könnyűsúlyú, a tény, hogy mi most itt ülünk a számítógép előtt, arra utal, hogy legalább létezik legalább egy standard modellen kívüli részecske.

Wilczek szerint ez rendkívül jó hír, mivel nyitva hagyja az utat a standard modell egyik matematikailag legszebb kiterjesztése előtt. A szuperszimmetria szerint minden ismert részecskének van egy még nem észlelt társa, melyek megoldást jelentenének a standard modell különböző hiányosságaira. Egyesítheti az erős és gyenge magerőket az elektromágneses erővel és magyarázatot adhat a sötét anyagra is.


A CMS szimulációja szerint így nézhet ki a Higgs bozon az ütközés utáni adatokban
A szuperszimmetria legegyszerűbb változatának megfelelően a társ-részecskéknek már meg kellett volna jelenniük az LHC adataiban, erre azonban nem került sor. Ha a Higgs valóban megközelítőleg 125 GeV-t nyom, az új erőt öntene a halódó elméletbe. "Bizonyos értelemben a szuperszimmetria némi levegőhöz jutna" - mondta Tonelli. "Talán nem a legkézenfekvőbb és népszerűbb modellként, de tovább élhet. A szuperszimmetria jövő esztendőben is fontos kutatási területe marad az LHC-nek"

Időközben az ATLAS és az CMS fizikusai még több adatot fésülnek át, hogy utalást találjanak a könnyűsúlyú Higgs alátámasztására. A jelenlegi két adatsorozat precíz egyesítésével Tonelli reményei szerint a statisztikai jelentőséget 3,7 és 3,9 szigma közé emelhetik. Feltételezve, hogy a részecskeütköztető terv szerint működik tovább, 2012 végéig mindkét kísérlet elegendő adatot gyűjthet a Higgs legegyszerűbb változatának megerősítésére vagy cáfolására. Addig is a mai bejelentésre úgy tekinthetnek a fizikusok, mint egy nagy felfedezés lehetőségének első felvillanására. Ha a Higgs nem kerül elő, akkor a fizikusoknak 2015-ig kell várniuk, mire az LHC maximális energiaszintjén működésbe lendül, hogy más tömeggel felruházó részecskék vagy jelenségek után kutathassanak. "Ha nem a Higgs, akkor valami más látja el ezt a feladatot" - mondta Gianotti. "Ezt a másvalamit fogjuk keresni"