Άρθρα

Στην θεωρία της φυσικής των σωματιδίων (ή Καθιερωμένο Πρότυπο) απαιτείται τουλάχιστον ένα μποζόνιο Higgs για να εξηγήσει τις μάζες των θεμελιωδών σωματιδίων. Ωστόσο, δεν υπάρχει κανένας λόγος για τον οποίο πρέπει να υπάρχει ακριβώς ένα σωματίδιο Higgs. Αντιθέτως, πολλές θεωρίες φυσικής πέρα από το Καθιερωμένο Πρότυπο απαιτούν την ύπαρξη επιπλέον μποζονίων Higgs. Για παράδειγμα, πολλές δημοφιλείς μέθοδοι για την επίλυση ανοιχτών ερωτήσεων, όπως «Τι είναι η σκοτεινή ύλη;» ή «Πώς μπορούμε να συμπεριλάβουμε την βαρύτητα στο Καθιερωμένο Πρότυπο;» προβλέπουν τουλάχιστον πέντε μποζόνια Higgs.

Από τα έναρξη λειτουργίας του Μεγάλου Επιταχυντή Αδρονίων (LHC) στο CERN, έχουν πραγματοποιηθεί πολλές αναζητήσεις για αυτά τα επιπλέον μποζόνια Higgs. Συνήθως, διερευνάται η άμεση διάσπαση ενός νέου μποζονίου σε κουάρκ ή λεπτόνια. Γιατί λοιπόν δεν βρέθηκαν αυτά τα μποζόνια Higgs μέχρι τώρα; Η απάντηση μπορεί να είναι ότι το νέο μποζόνιο συμπεριφέρεται διαφορετικά από το μποζόνιο Higgs που έχουμε ήδη ανακαλύψει. Μπορεί να αλληλεπιδρά διαφορετικά με τα κουάρκ ή τα λεπτόνια ή και τα δύο. Ίσως δεν μπορεί να παραχθεί εύκολα κατά τη διάρκεια συγκρούσεων πρωτονίων-πρωτονίων στον LHC.

Αυτά τα επιπλέον μποζόνια Higgs μπορεί στην πραγματικότητα να έχουν παρόμοια μάζα με το μποζόνιο Higgs που ανακαλύφθηκε, αλλά εξακολουθούν να μην έχουν ανιχνευθεί μόνο και μόνο επειδή παράγονται πολύ πιο σπάνια στον LHC. Το κλειδί για την εύρεση τους θα μπορούσε να βρίσκεται στην σύζευξη αυτών των μποζονίων μεταξύ τους, η οποία είναι η μόνη σύζευξη που αναμένεται να είναι ισχυρή.

Μια νέα αναζήτηση που πραγματοποιήθηκε από την ερευνητική ομάδα CMS αναζητά μια υπογραφή στην οποία το γνωστό μποζόνιο Higgs παράγεται μαζί με ένα νέο μποζόνιο Higgs. Τα δύο μποζόνια προκύπτουν από ένα τρίτο μποζόνιο Higgs, το οποίο δεν έχει ανιχνευθεί και είναι πολύ βαρύ – με μάζα από τρεις έως είκοσι φορές μεγαλύτερη από το μποζόνιο Higgs που γνωρίζουμε.

Η ομάδα CMS διερεύνησε για το αν αυτά τα δύο νέα μποζόνια Higgs δημιουργήθηκαν στον LHC. Tα μποζόνια Higgs διασπώνται πολύ συχνά προς ένα ζεύγος και κουάρκ – αντικουάρκ, γνωστά ως κουάρκ πυθμένες. Aυτή η διάσπαση είναι ένας από τους καλύτερους τρόπους ανίχνευσης μποζονίων Higgs. Ο μόνος περιορισμός είναι ότι αυτά τα κουάρκ είναι δύσκολο να βρεθούν, διότι δημιουργούν πίδακες σωματιδίων με πολλά συστατικά, παρόμοια με τα προϊόντα από τις συγκρούσεις των πρωτονίων. Από την άλλη, η διάσπαση του μποζονίου Higgs σε λεπτόνια ταυ, συμβαίνει πιο σπάνια και οδηγεί σε μια πιο ξεκάθαρη υπογραφή γεγονότων. Τα λεπτόνια διασπώνται σε ηλεκτρόνια, μιόνια ή σε ένα μικρό αριθμό πιονίων, τα οποία εντοπίζονται εύκολα από τον ανιχνευτή CMS.

Επομένως, ο συνδυασμός αυτών των δύο περιπτώσεων είναι ένας πολύ καλός τρόπος αναζήτησης γεγονότων που περιλαμβάνουν και το νέο και το γνωστό μποζόνιο Higgs.

Έτσι, πραγματοποιήθηκε μια κοπιώδης ανάλυση που περιλάμβανε την προσομοίωση πάνω από 200 εκατομμύρια γεγονότων και την σύγκριση με παρόμοιες αναζητήσεις, για να εκτιμηθεί πώς θα φαίνονταν οι υπογραφές στον ανιχνευτή CMS των δυο νέων και άγνωστης μάζας μποζονίων Higgs. Κι αυτό έγινε για όλους τους πιθανούς συνδυασμούς μαζών των δυο επιπλέον Higgs. Όμως, η αναζήτηση νέων μποζονίων Higgs με μάζες κάτω των 600 GeV (πέντε φορές τη μάζα του μποζονίου Higgs που ανακαλύφθηκε), δεν έδωσε αποτελέσματα.

Τα γεγονότα που παρουσιάζουν ενδιαφέρον σ’ αυτή την ανάλυση περιέχουν τόσο το ζεύγος λεπτονίων ταυ όσο και ζεύγος κουάρκ-πυθμένων, είναι πολύ σπάνια στον LHC. Έτσι, η αναζήτηση εξακολουθεί να περιορίζεται από την ποσότητα των διαθέσιμων δεδομένων και θα εμπλουτιστεί σημαντικά από τα δεδομένα των επόμενων ετών. Η αναζήτηση θα συνεχιστεί και στα πειράματα του αναβαθμισμένου LHC μετά το 2022, όπου ο ανιχνευτής CMS θα καταγράφει περίπου δέκα φορές περισσότερες συγκρούσεις από ότι στο παρελθόν. Η ανάλυση όλων των δεδομένων θα οδηγήσει σε μια οριστική απάντηση, είτε στην επιβεβαίωση της ύπαρξης των νέων μποζονίων Higgs ή στην οριστική και αμετάκλητη απόρριψη της ύπαρξή τους.

Περισσότερες Πληροφορίες: HOW MANY HIGGS BOSONS ARE THERE?