Otkriće Higgsova bozona detektorom CMS u CERN-u

Na zajedničkom seminaru kolaboracija CMS (Compact Muon Solenoid) i ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS), održanom 4. srpnja 2012. godine u CERN-u (Europska organizacija za nuklearna istraživanja u Ženevi), predstavljeno je otkriće nove čestice u podacima prikupljenim do lipnja 2012. godine na velikom sudaraču hadrona, LHC-u
(Large Hadron Collider). Ubrzivač čestica LHC nastavio je s radom sve do kraja 2012. godine, prikupivši veliku količinu podataka, iz kojih je utvrđeno da je riječ o čestici koja se tražila proteklih 50 godina, tzv. Higgsovu bozonu. U ovom ćemo članku opisati zašto je važan Higgsov bozon, kako je pronađen i koja je uloga hrvatskih fizičara u tom velikom znanstvenom eksperimentu.

Najprije ćemo ukratko opisati standardni model elementarnih čestica i njihovih interakcija (dalje u tekstu: standardni model). Standardni model jedna je od najfundamentalnijih teorija u prirodi, koja vrlo uspješno opisuje svojstva elementarnih čestica i tri od četiri osnovne sile koje djeluju među njima: elektromagnetsku, slabu i jaku nuklearnu silu [1]. U potpunosti je u skladu s kvantnom fizikom i teorijom relativnosti, ujedinjenim u tzv. kvant­nu teoriju polja, a potvrđena je u svim do sada izvedenim eksperimentima. Međutim, kao i svaka druga teorija u znanosti, to nije kompletna teorija prirode, jer npr. ne uključuju gravitaciju, niti objašnjava podrijetlo mase elementarnih čestica. Upravo taj zadnji problem, podrijetlo mase elementarnih čestica, pokušava se riješiti potragom za Higgsovim bozonom. Naime, jedan od najjednostavnijih i najelegantnijih mehanizama (takozvani mehanizam spontanog narušenja elektroslabe simetrije), koji bi objasnio podrijetlo mase čestica, predviđa postojanje univerzalnog polja koje prožima cijeli svemir te čestice u interakciji s tim poljem dobivaju masu [2]. Neke čestice imaju slabiju interakciju i tako stječu manju masu, dok druge čestice imaju jaču interakciju, a to znači i veću masu (slično kao što neki objekti kad prolaze kroz vodu osjećaju manji ili veći otpor pri kretanju, i tako naizgled imaju manju ili veću tromost – što prividno izgleda kao da imaju manju ili veću masu). Samo polje naziva se Higgsovo polje, po škotskom fizičaru Peteru Higgsu, koji je među prvima predložio taj mehanizam, a čestična manifestacija tog polja naziva se Higgsov bozon. Higgsov bozon dobiva masu interakcijom sa svojim poljem. Po sličnoj analogiji za sve čestice u prirodi postoji i polje, npr. postoji polje elektrona, a kvant tog polja zove se elektron. Isto vrijedi i za sve ostale čestice: osnovni elementi prirode su polja, a čestice su samo kvanti polja – zato standardni model i jest kvantna teorija polja. Stoga je pronalazak Higgsova bozona tako važan: upotpunio bi standardni model elementarnih čestica i njihovih interakcija spoznajom odakle česticama masa. Kada ne bismo pronašli Higgsov bozon, to bi upućivalo na ozbiljan nedostatak našeg pogleda na prirodu. Postoje i mnoge druge ideje kojima bismo objasnili podrijetlo mase elementarnih čestica, ali ni jedna nije tako elegantna i jednostavna kao ideja spontanog narušenja simetrije (koja zahtijeva postojanje Higgsova bozona).

Slika 1: Transverzalni pogled na CMS detektor u čijoj su izgradnji sudjelovali, a sada rade na analizi podataka, znanstvenici s PMF-a i FESB-a u Splitu te IRB-a u Zagrebu.

Glavni cilj LHC-a u CERN-u jest upravo pronalazak mehanizma kojim čestice dobivaju masu, što se pojednostavljeno kaže »potraga za Higgsovim bozonom«. Unatoč svim uspjesima standardnog modela u opisu prirode nije moguće točno predvidjeti masu Higgsova bozona, pa je potrebno pretražiti cijelo područje mogućih masa. U fizici elementarnih čestica često se za masu i energiju koriste iste jedinice, što i nije čudno ako se sjetimo da su masa i energija potpuno ekvivalentne – razlikuju se samo po konstantnom faktoru jednakom brzini svjetlosti na kvadrat: E = mc2. Na primjer: energija koja odgovara masi jednog elektrona (9.11×10-31 kg) jest oko 0.5 milijuna elektron-volti (MeV), gdje je jedan eV jednak 1.6×10-19 J, dok masa jednog protona odgovara energiji od oko jednoga giga elektron-volta (GeV).

Razni teorijski razlozi zahtijevaju da Higgsov bozon, ako postoji u svom najjednostavnijem obliku, ima masu koja je manja od 1000 GeV. LHC eksperimenti ATLAS i CMS (slika 1) dizajnirani su za uspješnu potragu za Higgsovim bozonom u cijelom mogućem području masa. Detektorima upravljaju kolaboracije od približno 3000 znanstvenika iz cijelog svijeta. Članovi su CMS kolaboracije i fizičari sa Sveučilišta u Splitu (s Fakulteta elektrotehnike, strojarstva i brodogradnje, FESB, i Prirodoslovno-matematičkog fakulteta, PMF), kao i iz Instituta »Ruđer Bošković« (IRB), te su direktno sudjelovali u potrazi za Higgsovim bozonom i mjerenjima procesa u standardnom modelu koji predstavljaju tzv. pozadinske procese.

CMS je jedan od dvaju detektora opće namjene na LHC-u, koji je posebno napravljen u svrhu potrage za novom fizikom. Dizajniran je za detekciju širokog spektra čestica i fenomena koji se ili već proizvode ili očekuju u sudarima visokoenergijskih protona ili iona na LHC-u, te će pomoći odgovoriti na neka pitanja, kao što je na primjer »Od čega se sastoji svemir i koje sile vladaju njime?«. Isto će tako mjeriti svojstva već poznatih čestica s dosad nezabilježenom preciznošću te se možemo nadati otkriću potpuno novih i neočekivanih fenomena. Takva vrsta istraživanja će ne samo povećati naše razumijevanje svemira nego će eventualno razviti nove tehnologije koje mogu promijeniti svijet u kojem živimo, što je već bio slučaj u povijesti.

Konceptualni dizajn CMS detektora datira iz 1992. godine, a jedan je od »otaca« CMS detektora prof. dr. sc. Daniel Denegri, Splićanin, koji sada radi u francuskom institutu CEA u Saclayu i koji je najzaslužniji za uključenje grupe sa Sveučilišta u Splitu u CMS kolaboraciju. Konstrukcija toga golemog detektora (15 m promjer, 29 metara dug, težina oko 14 tisuća tona) trajala je više od 16 godina, te je rezultat zajedničkog napora jedne od najvećih međunarodnih znanstvenih kolaboracija ikad uspostavljenih: 3275 fizičara (uključujući 1525 studenata) plus 790 inženjera i tehničara, iz 179 institucija i istraživačkih laboratorija iz 41 zemlje iz cijelog svijeta.

Na zajedničkom seminaru kolaboracija CMS i ATLAS, održanom 4. srpnja 2013. godine u CERN-u, predstavljeni su preliminarni rezultati potrage za Higgsovim bozonom u podacima prikupljenim do lipnja 2012. godine na LHC-u, a poslije su ti rezultati objavljeni u znanstvenim časopisima [3]. Najprije ćemo opisati rezultate kojima je objavljeno otkriće nove čestice, a zatim ćemo ukratko navesti i najnovije rezultate, dobivene analizom svih do sada prikupljenih podataka iz LHC-a.

Znanstvenici iz obiju kolaboracija opazili su višak događaja s masom od oko 125 GeV sa statističkom značajnošću od pet standardnih odstupanja (5 sigma) iznad očekivanih pozadinskih događaja (u žargonu fizike elementarnih čestica takvi se događaji nazivaju pozadinski događaji ili jednostavno »pozadina«, dok događaje koji dolaze od Higgsova bozona nazivamo signal). Vjerojatnost da su već poznati fizikalni procesi proizveli takav ili veći višak događaja jest jedan u tri milijuna. Stoga smatramo da je to posljedica proizvodnje do sada neopažene čestice s masom od oko 125 GeV.

CMS kolaboracija analizirala je sve podatke u 2011. i 2012. godini, prikupljene do 18. lipnja 2012., što odgovara količini podataka od 5.1 fb-1 integriranog luminoziteta (integrirani luminozitet je mjera količine prikupljenih podataka, a ima dimenziju inverzne površine; zbog malih vrijednosti uobičajeno se koristi jedinica barn [b] koja je jednaka 10-28 m2; ovdje koristimo femtobarn [fb] što je jednako 10-15 barna) na energiji centra mase protonskih sudara od 7 TeV u 2011. i do 5.3 fb-1 na energiji od 8 TeV u 2012. godini.

Higgsov bozon je nestabilna čestica, koja se, praktički čim nastane, raspadne u druge čestice (koje se same često opet raspadnu na neke druge čestice). S obzirom na to da je, pojednostavljeno rečeno, Higgsov bozon odgovoran za masu svih elementarnih čestica, on se raspada na sve moguće čestice. Vjerojatnost raspada, tj. mjera kako se često raspada na koje čestice, otprilike je proporcionalna masi elementarnih čestica: što su čestice teže, Higgsov se bozon češće u njih raspada. U jeziku elementarnih čestica pojedini modovi raspada Higgsova bozona nazivaju se »kanali raspada«. CMS kolaboracija proučavala je pet najvažnijih kanala raspada Higgsova bozona. Tri kanala rezultiraju u parovima tzv. vektorskih bozona (γγ, ZZ ili WW), a dva kanala uključuju parove fermiona (bb ili ττ), gdje γ označava foton, Z i W predstavljaju nosioce slabih interakcija, b označava kvark dno, a τ predstavlja tau lepton. γγ, ZZ i WW kanali su podjednako osjetljivi u potrazi za Higgsovim bozonom s masom od oko 125 GeV te su osjetljiviji nego bb i ττ kanali. Kanali visoke rezolucije, γγ i ZZ, omogućuju mjerenje mase nove čestice. U γγ kanalu masa se određuje iz energije i smjera dva visokoenergijska fotona izmjerena kristalnim elektromagnetskim kalorimetrom CMS detektora (ECAL, slika 2). U ZZ kanalu, masa se određuje iz parova elektrona ili miona nastalih u raspadu Z bozona (slika 3), koji se mjere u ECAL-u, detektoru tragova i mionskim detektorima.

Slika 2. Događaj snimljen CMS detektorom u 2012. godini na energiji centra mase protonskih sudara od 8 TeV. Događaj pokazuje svojstva koja se očekuju iz raspada Higgsova bozona u par fotona (isprekidane žute linije i zeleni tornjevi), ali isto tako može biti posljedica već poznatih fizikalnih procesa standardnog modela.

Slika 3. Događaj snimljen CMS detektorom u 2012. godini na energiji centra mase protonskih sudara od 8 TeV. Događaj pokazuje svojstva koja se očekuju iz raspada Higgsova bozona u par Z bozona, koji se zatim raspadaju u parove elektrona (zelene linije i zeleni tornjevi) i par miona (crvene linije), ali isto tako može biti posljedica već poznatih fizikalnih procesa standardnog modela.

Ako Higgsov bozon ne postoji, podaci prikupljeni CMS detektorom dovoljni su da se isključi njegovo postojanje u području masa od 110 do 600 GeV, s razinom pouzdanosti od 95%. Nakon analize podataka CMS je isključio postojanje Higgsova bozona u područjima masa 110-122.5 GeV i 127-600 GeV, s razinom pouzdanosti od 95%.

Slika 4. Razdioba četveroleptonske rekonstruirane mase za zbroj 4e, 4μ i 2e2μ kanala (e predstavlja elektrone, a μ mione). Točke predstavljaju podatke, ispunjeni histogrami očekivanu pozadinu, a prazni histogram očekivani signal Higgsova bozona. Mala slika predstavlja dio podataka, nakon zahtjeva da jedna od varijabli značajnih za razlikovanje signala od pozadina (tzv. kinematička diskriminanta) bude veća od 0.5.

Potraga za Higgsovim bozonom svodi se na usporedbu broja izmjerenih događaja unutar nekog područja očekivane mase s brojem događaja koji se očekuju ako u tom području nema Higgsova bozona. Stoga opažanje viška događaja upućuje na postojanje Higgsova bozona (ili novoga fizikalnog fenomena). Što je veća razlika između broja događaja koji se očekuju ako nema Higgsova bozona i izmjerenog broja događaja, to je veća statistička značajnost postojanja Higgsova bozona (ili novoga fizikalnog fenomena). Analizom događaja utvrđeno je da se područje od 122.5–127 GeV ne može isključiti jer je primijećen višak događaja u tri od pet analiziranih kanala:

• Kanal γγ: raspodjela mase dvaju fotona (γγ) prikazana je na slici 4, gdje se vidi višak događaja na masi od 125 GeV, sa statističkom značajnošću od 4.1 sigma iznad pozadine. Uočavanje konačnog stanja s dva fotona znači da je nova čestica bozon, a ne fermion, te da nova čestica ne može imati spin 1.
• Kanal ZZ: slika 5 prikazuje razdiobu mase četiri leptona (dva para elektrona, dva para miona ili par elektrona i miona). Uzimajući u obzir kutne razdiobe produkata raspada višak događaja na masi od oko 125 GeV iznosi 3.2 sigma iznad pozadinskih procesa.
• Kanal WW: primijećen je višak događaja od 1.6 sigma preko širokog područja masa.
• Kanal bb i ττ: nije primijećen višak događaja.

Statistička značajnost signala iz kombiniranog fita za svih pet kanala jest 5.0 sigma iznad pozadine, što je u fizici visokih energija dogovorno prihvaćeno kao pokazatelj otkrića novog fenomena, u ovom slučaju nove čestice.

Do kraja 2012. godine LHC je prikupio podatke koji odgovaraju integriranom luminozitetu od oko 5 fb-1 na 7 TeV i oko 20 fb-1 na 8TeV. Najnoviji rezultati CMS-a, koji proizlaze iz analize pet glavnih kanala raspada (γγ, ZZ, WW, ττ, i bb) mogu se sažeti na sljedeći način [4,5]:

• Masa novog bozona jest 125.7 ± 0.4 GeV.
• Broj događaja izmjeren u različitim kanalima raspada i produkcijskim mehanizmima je unutar trenutačnih neodređenosti konzistentan s očekivanjem za Higgsov bozon standardnog modela.
• Najbolja prilagodba jačine signala za sve kanale kombinirano, izražena u jedinicama udarnog presjeka za Higgsov bozon standardnog modela, jest 0.80 ± 0.14.
• Konzistentnost jačina vezanja s predviđanjem standardnog modela testirana je na različite načine i nikakvo signifikantno odstupanje nije pronađeno.
• Proučavani su spin i paritet bozona te je nađeno da je hipoteza čistog skalara konzistentna s opažanjima kad se usporedi s šest ostalih spin-paritet hipoteza, što upućuje na to da je novi bozon u skladu s očekivanjima standardnog modela za kvantne brojeve spina i pariteta.

Svi izmjereni parametri nove čestice, u ATLAS i CMS kolaboraciji, u skladu su s očekivanjima za Higgsov bozon standardnog modela. Stoga zaključujemo da je vrlo vjerojatno riječ o dugo traženom Higgsovu bozonu. Upravo je zbog tog zaključka 2013. godine fizičarima Peteru W. Higgsu i Françoisu Englertu dodijeljena Nobelova nagrada za fiziku.

Grupe znanstvenika sa Sveučilišta u Splitu i Instituta »Ruđer Bošković« sudjelovale su u otkriću Higgsova bozona na dva načina: grupa iz Splita direktno je radila na potrazi za Higgsovim bozonom, a grupa iz Zagreba na mjerenjima pozadinskih procesa standardnog modela. Obje grupe sastoje se od znanstvenika u znanstveno-nastavnim zvanjima i mladih istraživača, te su imale važnu ulogu u kolaboraciji. Sastav grupe iz Splita bio je sljedeći: prof. dr. sc. Željko Antunović, prof. dr. sc. Nikola Godinović, doc. dr. sc. Damir Lelas, Marko Kovač, mag. phys., dr. sc. Roko Pleština (sada na postdoktorskom usavršavanju na Institutu za fiziku visokih energija u Pekingu), Dunja Polić, prof., i prof. dr. sc. Ivica Puljak. Sastav grupe iz Zagreba bio je sljedeći: dr. sc. Vuko Brigljević, dr. sc. Senka Đurić (sada na postdoktorskom usavršavanju na Sveučilištu u Winsconsinu), dr. sc. Krešo Kadija, dr. sc. Srećko Morović. Prof. dr. sc. Ivica Puljak, voditelj grupe iz Splita, bio je i koordinator grupe znanstvenika iz cijelog svijeta koja je radila na potrazi za Higgsovim bozonom kroz kanal raspada u dva Z bozona. Dr. sc. Vuko Brigljević, voditelj grupe iz Zagreba, bio je koordinator grupe znanstvenika iz cijelog svijeta koja je radila na mjerenjima pozadinskih procesa standardnog modela koji uključuju dva vektorska bozona u konačnom stanju. Rad naših znanstvenika na tom velikom svjetskom projektu i njihovo sudjelovanje u otkriću Higgsova bozona jest primjer predanog i strpljivog rada na rok od oko 20-
-ak godina, koji je, uz potporu njihovih matičnih i državnih institucija, rezultirao da danas u području fizike visokih energija imamo grupe znanstvenika koji se ravnopravno bave znanošću na razini njihovih kolega iz cijelog svijeta. n

Bibliografija

• [1] L. Glashow, Nucl. Phys. 22 (1961) 579.; S. Weinberg, Phys. Rev. Lett. 19 (1967) 1264. A. Salam, in Elementary particle physics: relativistic groups and analyticity, N. Svartholm, ed., p. 367. Almquvist & Wiskell, 1968. Proceedings of the eighth Nobel symposium; D. J. Gross and F. Wilczek, Phys. Rev. Lett. 30 (1973) 1343.; H. D. Politzer, Phys. Rev. Lett. 30 (1973) 1346.
• [2] F. Englert and R. Brout, Phys. Rev. Lett. 13 (1964) 321.; P. W. Higgs, Phys. Lett. 12 (1964) 132.; P. W. Higgs, Phys. Rev. Lett. 13 (1964) 508.; G. S. Guralnik, C. R. Hagen, and T. W. B. Kibble, Phys. Rev. Lett. 13 (1964) 585.; P. W. Higgs, Phys. Rev. 145 (1966) 1156.; T. W. B. Kibble, Phys. Rev. 155 (1967) 1554.
• [3] ATLAS Collaboration, Phys. Lett. B 716 (2012) 1.; CMS Collaboration, Phys. Lett. B 716 (2012) 30.; CMS Collaboration, JHEP 06 (2013) 081.
• [4] CMS Collaboration, Phys. Rev. Lett. 110 (2013) 081803.
• [5] CMS Collaboration, CMS-PAS-HIG-13-001, (2013).; CMS Collaboration, CMS-PAS-HIG-13-002, (2013).; CMS Collaboration, CMS-PAS-HIG-13-003, (2013).; CMS Collaboration, CMS-PAS-HIG-13-004, (2013).; CMS Collaboration, CMS-PAS-HIG-13-012, (2013).

* U ime CMS kolaboracije piše prof. dr. sc. Ivica Puljak