Informacja prasowa CERN
Genewa, 3 sierpnia 2020 r.

Na 40 konferencji ICHEP zespoły eksperymentów ATLAS i CMS ogłosiły nowe wyniki, które zaświadczają, że bozon Higgsa rozpada się na dwa miony. Mion jest cięższą kopią elektronu, jednej z cząstek elementarnych, które tworzą materię we Wszechświecie. Podczas gdy elektrony są klasyfikowane jako cząstki pierwszej generacji, miony należą do drugiej generacji. Proces fizyczny rozpadu bozonu Higgsa na miony jest zjawiskiem rzadkim, ponieważ tylko około jeden bozon Higgsa na 5000 rozpada się na miony. Nowe, ogłoszone właśnie wyniki, mają kluczowe znaczenie dla fizyki fundamentalnej, ponieważ po raz pierwszy wskazują, że bozon Higgsa oddziałuje z cząstkami elementarnymi drugiej generacji.

Fizycy w CERN-ie badają bozon Higgsa od czasu jego odkrycia w 2012 roku, aby poznać własności tej bardzo szczególnej cząstki. Bozon Higgsa, powstały w wyniku zderzeń protonów w Wielkim Zderzaczu Hadronów (LHC), rozpada się niemal natychmiastowo na inne cząstki. Jedną z głównych metod badania bozonu Higgsa jest analiza, w jaki sposób i jak często rozpada się on na różne podstawowe cząstki.

CMS uzyskał dowody istnienia tego rozpadu na poziomie 3 sigma, co oznacza, że szansa iż przypadki zinterpretowane jako efekty rozpadu bozonu Higgsa na parę mionów są jedynie efektem statystycznych fluktuacji jest mniejsza niż jeden na 700. Wynik ATLAS-a na poziomie dwóch sigm oznacza, że szanse pomyłki wynoszą jeden do 40. Kombinacja obu wyników dostarcza mocnej przesłanki za istnieniem rozpadu bozonu Higgsa na parę mion-antymion.

„CMS jest dumny, że osiągnął taką czułość obserwacji rozpadów bozonów Higgsa na miony i pokazał pierwsze eksperymentalne przesłanki istnienia tego procesu. Bozon Higgsa wydaje się wchodzić w interakcje również z cząstkami drugiej generacji zgodnie z przewidywaniami Modelu Standardowego, a ten wynik będzie dalej dopracowywany na podstawie danych, które spodziewamy się zebrać w następnej fazie” - powiedział Roberto Carlin, rzecznik (spokeperson) eksperymentu CMS.

Bozon Higgsa jest kwantową manifestacją pola Higgsa, które nadaje masę cząstkom elementarnymoddziałującym z nime za pośrednictwem mechanizmu Brouta-Englerta-Higgsa. Mierząc częstość z jaką bozon Higgsa rozpada się na różne cząstki, fizycy mogą wywnioskować siłę ich interakcji z polem Higgsa: im wyższa częstość rozpadu, tym silniejsze oddziaływanie z polem. Jak dotąd w eksperymentach ATLAS i CMS zaobserwowano, że bozon Higgsa rozpada się na różne typy bozonów, takie jak W i Z, oraz cięższe fermiony, takie jak leptony tau. Oddziaływanie z najcięższymi kwarkami t i b, zostało zmierzone w 2018 r. Miony są znacznie lżejsze w porównaniu nimi i ich oddziaływanie z polem Higgsa jest słabsze. Dlatego też oddziaływania między bozonem Higgsa a mionami nie były wcześniej widziane w LHC.

„Te dowody na rozpad bozonu Higgsa na cząstki materii drugiej generacji stanowią uzupełnienie bardzo udanego programu fizyki Higgsa podczas niedawno zakończonej fazy zbierania danych przez LHC (tzw. Run 2). Pomiary właściwości bozonu Higgsa weszły na nowy etap pod względem precyzji i rzadkich kanałów rozpadu. Osiągnięcia te opierają się na dużym zestawie danych LHC, wyjątkowej efektywności i wydajności detektora ATLAS oraz zastosowaniu nowatorskich technik analizy” - powiedział Karl Jakobs, rzecznik eksperymentu ATLAS.

Tym, co sprawia, że badania te są jeszcze trudniejsze, jest to, że w LHC na każdy przewidywany rozpad bozonu Higgsa na dwa miony przypadają tysiące par mionów wytwarzanych w innych procesach, które naśladują oczekiwaną sygnaturę eksperymentalną. Charakterystyczną sygnaturą rozpadu bozonu Higgsa na miony jest niewielki nadmiar zdarzeń, obserwowany w pobliżu masy par mionów o wartości 125 GeV, czyli masy bozonu Higgsa. Wyizolowanie oddziaływania bozonu Higgsa z parą mionów nie jest łatwym zadaniem. Aby to zrobić, oba eksperymenty mierzą energię, pęd i kąty kandydatów na miony pochodzące z rozpadu bozonu Higgsa. Ponadto czułość analiz poprawiono dzięki metodom, takim jak zaawansowane strategie modelowania tła i inne zaawansowane techniki, takie jak algorytmy uczenia maszynowego. CMS połączył cztery oddzielne analizy, z których każda została zoptymalizowana pod kątem kategoryzowania przypadków fizycznych z możliwymi sygnałami charakterystycznymi dla określonego trybu produkcji bozonu Higgsa. ATLAS podzielił swoje przypadki na 20 kategorii, które dotyczyły określonych trybów produkcji bozonów Higgsa.

Wyniki, które do tej pory są zgodne z przewidywaniami Modelu Standardowego, wykorzystywały pełny zestaw danych zebranych z drugiej serii pomiarów LHC. Zespoły badawcze ATLAS i CMS oczekują, że przy większej ilości danych zarejestrowanych w kolejnym cyklu pracy LHC oraz po przejściu do działania LHC w modzie o wysokiej świetlności, osiągnięta zostanie czułości (5 sigma) potrzebna do ostatecznego uznania rozpadu bozonu Higgsa na dwa miony za odkryty i do ustanowienia ograniczeń na teorie wykraczające poza Model Standardowy, które mogłyby wpływać na ten sposób rozpadu bozonu Higgsa.

Oryginalny komunikat CERN

Komentuje prof. Piotr Zalewski (CMS@NCBJ)

Ogłoszenie pierwszej w historii doświadczalnej przesłanki występowania rozpadu bozonu Higgsa na parę mion anty-mion (p-value na poziomie 3 sigma) przez zespół badawczy eksperymentu CMS jest dobrą okazją do przypomnienia istotnego wkładu naszych kolegów w uzyskanie tego wyniku.

Jak to jest już wyjaśnione w przytaczanej informacji CERN, podstawową trudnością analizy jest niska, proporcjonalna do kwadratu masy mionu, częstość takich rozpadów oraz wysoki poziom tła, a głównym walorem poznawczym - możliwość porównania wyniku z obserwacjami rozpadów na pary cięższych cząstek.

Jednym z podstawowych składników sukcesu jest bardzo dobra efektywność rejestracji przypadków z mionami w stanie końcowym oraz dobre ich mierzenie i rozpoznawanie. Warszawska Grupa Eksperymentu CMS, którą współtworzą naukowcy z NCBJ, jest od początku eksperymentu odpowiedzialna za mniej więcej jedną trzecią pierwszego stopnia systemu wyzwalania na miony detektora CMS czyli trygera mionowego. Natomiast zasadniczy wkład w identyfikację i rekonstrukcję mionu jest najlepiej udokumentowany poprzez wiodącą rolę dra Piotr Traczyka w publikację: CMS Collaboration, “Performance of the CMS muon detector and muon reconstruction with proton-proton collisions at sqrt(s)= 13 TeV”, JINST 13 (2018) P06015, (doi:10.1088/1748-0221/13/06/P06015,arXiv:1804.04528.)

Bardzo ciekawe poznawczo jest porównanie częstości rozpadu Higgsa na parę mionów (leptonów drugiej generacji) do częstości rozpadu na parę tau (leptonów trzeciej generacji). Z punktu widzenia Modelu Standardowego cząstki te różnią się tylko masą. Dr hab. Michał Bluj od lat wnosi istotny wkład w badania podgrupy zajmującej się sektorem Higgsa, a specjalizuje się właśnie w analizach rozpadu bozonu Higgsa na parę tau anty-tau. Jego prace na ten temat zostały uznane za osiągnięcie NCBJ w roku 2018.