Higs Je Otkriven, Ali Ko Je Uopšte Taj Higs?

Нобелова награда за физику 2022. године

Аутор: проф. др Мирољуб Дугић(Институт за физику, Природно-математички факултет, Универзитет у Крагујевцу)Нобелову награду за физику за 2022. годину поделила су тројица експерименталних физичара за област заснивања квантне механике, Ален Аспе ...

Kako tražimo Higsa? …. i šta znače sve ove brojke i slova?

Potraga za Higsovom česticom, kao i svakom drugom česticom, je složen i dugotrajan posao, potrebno je mnogo ljudi, tehnike, vremena, truda i ponešto sreće. Tokom dvadesetog veka otkrivene su mnogobrojne nove čestice, uglavnom sve veće i veće mase mirovanja, na sve većim i većim energijama. Povećanje mase (energije) traženih čestica tražilo je sve moćnije (i skuplje) akceleratore (više o akceleratorima). U akceleratorima čestice se ubrzavaju do brzina koje su približne brzini svetlosti a onda međusobno sudaraju. U tim sudarima nastaju mnogobrojne poznate ali i neke nove čestice. Jedan takav akcelerator je i LHC, u CERN-u (više o LHC-u), koji je izgrađen da zameni sve prethodne akceleratore i istraži fiziku u oblast energija većih od 1TeV (Šta je 1 TeV?).

Upoznati sa teorijom elementarnih čestica, tzv. Standardnim modelom (više o standardnom modelu) fizičari “usmeravju” akceleratore u željena područija i tragaju za nečim novim. Svakim sudarom čestica u akceleratoru nastaje ogroman broj događaja. Većina ovih događaja potuno je nezanimljiva za fizičare pošto je reč o dobro poznatim i analiziranim procesima i česticama. Ipak, povremeno pojavi se neki nov događaj koji zainteresuje istraživače. Analizirajući te nove događaje i njihovim upoređivanjem sa poznatim teorijskim predviđanjima fizičari tragaju za novim česticama ili odbacuju mogućnosti za njihovo postojanje.

Jedna takva potraga bila je i lov na Higsovu česticu, tj. Higsov bozon. Prema predviđanjima Standardnog modela ova čestica nije trebala da ima masu veću od svih do sada detektovanih čestica, ali načini i mogućnosti za njeno detektovanje uslovili su potrebu za mnogo energije, mnogo više nego što je to bilo potrebno za druge čestice. Zbog toga je bilo potrebno izgraditi veliku i moćnu mašinu, kao što je LHC, koja će obezbediti dovoljan broj sudara na dovoljno visokoj energiji. U tim sudarima je potrebno proizvesti dovoljan broj Higsovih čestica koje će detektori uhvatiti. Ali… detektori ne mogu da uhvate Higsov bozon!

Za lov na ovu “neuhvatljivu” česticu potrebno je koristiti neke posredne metode. Te metode zasnivaju se na hvatanju produkata raspada tražene čestice (metod koji se najčešće i koristi u detekciji čestica). Higsov bozon raspada se na različite načine a najznačajniji i najčešći kanali raspada su: $\gamma \gamma$ , $Z Z$ (ili 4 leptona, kako se drugačije označava), $W W$ , $b b$ i $\tau \tau$ . Kao konačni produkti ovih raspada nastaju dva fotona, dva Z bozona (koji se kasnije raspadaju na 2 para leptona, elektrona ili miona, i tako identifikuju), dva W bozona (od koji se svaki identifikuje raspadom na elektron i elektronski neutrino ili mion i mionski neutrino). Kanali $b b$ i $\tau \tau$ su dosta složeniji i detektuju se na osnovu složenijih raspada i kojima nastaje više čestica.

Analizom ovih pet kanala i brojanjem događaja na određenim energijama određuje se broj proizvedenih Higsovih čestica (tj. bozona koji se raspadaju na ovakav način). Analiza registrovanih podataka zasnovana je na statistici i potrebno je analizirati mnogo podataka za dobijanje konačnih zaključaka, tj. za potvrdu ili odbacivanje teorije o postojanju odgovarajuće čestice.

U statističkoj analizi podatak vrši se upoređivanje broja registrovanih događaja sa teorijskim predviđanjima. Kako svaka statistička izračunavanja nose i određenu mogućnost greške potrebno je odrediti i tu vrednost, tj. mogućnost da su neki rezultati samo proizvod slučajnih događaja. Ta mera kojom se određuje pouzdanost dobijenih podataka naziva se statistički značaj i izražava se kao “sigma”, gde je $\sigma$ standardna devijacija. Što je broj sigma veći veća je i verovatnoća da su rezultati pouzdani, tj da nije reč o nekom slučajnom procesu. Tokom prikupljanja i analize podataka statistički značaj se menja i što je veći broj analiziranih događaja on postaje sve veći (ako je reč o “dobrom” rezultatu, tj. o postojanju neke čestice) odnosno sve manji ako je reč o slučajnim procesima. Staistički značaj od $1 \sigma$ označava da je rezultat tačan sa verovatnoćom od 68.2689492%, $3 \sigma$ je već 99.7300204% (tj. mogućnost greške od 1:370000) dok je za potvrdu otkrića potrebno $5 \sigma$ odnosno verovatnoća da je rezultat tačan od 99.9999426697%!

Eksperimenti ATLAS i CMS danas su predstavili rezultate u kojima su upravo sa ovom verovatnoćom pokazali da postoji Higsov bozon na energiji od 125-126 GeV.