Naukowcy zaobserwowali nietypowy rozpad bozonu Higgsa. Nigdy wcześniej się to nie udało

Bozon Higgsa znany także jako boska cząstka swego czasu był swoistym świętym Graalem fizyki cząstek. Poszukiwali go wszyscy, nikt go nie mógł zaobserwować. Sytuacja zmieniła się jednak nieco ponad dekadę temu. W 2012 roku naukowcy pracujący w Wielkim Zderzaczu Hadronów w CERN w końcu zarejestrowali tę niezwykle ulotną cząstkę. Od tego czasu trwają badania, które mają na celu ustalić możliwie jak najwięcej właściwości bozonu Higgsa, w tym także procesów prowadzących do jej powstania oraz tych, które prowadzą do jej rozpadu na inne cząstki.
bozon higgsa
bozon higgsa

Fizycy z zespołów kierujących eksperymentami ATLAS oraz CMS w CERN poinformowali właśnie, że w toku eksperymentów prowadzonych w Wielkim Zderzaczu Hadronów udało im się zaobserwować niezwykle rzadki proces, w którym bozon Higgsa rozpada się na bozon Z oraz foton. Foton z definicji jest nośnikiem oddziaływania elektromagnetycznego, a bozon Z jest nośnikiem oddziaływań słabych. Naukowcy podkreślają, że zaobserwowany przez nich proces rozpadu może pośrednio wskazywać na istnienie cząstek elementarnych, których nie uwzględnia Model Standardowy.

Czytaj także: Bozon Higgsa poznany lepiej niż kiedykolwiek. Pojawiły się wyniki kluczowych badań

Poszukiwanie rzadkiego rozpadu bozonu Higgsa

Według obowiązującej wiedzy bozon Higgsa może ulegać rozpadowi albo na dwa fotony, albo na foton i bozon Higgsa, przy czym ten drugi proces dotyczy zaledwie 0,15 proc. wszystkich bozonów Higgsa. Tak przynajmniej wskazuje Model Standardowy zakładający, że boska cząstka ma masę ok. 125 mld elektronowoltów. Gdyby jednak okazało się, że więcej lub mniej bozonów Higgsa ulega rozpadowi na bozon Z oraz foton, mogłoby to wskazywać na nieznane obecnie procesy fizyczne wykraczające poza Model Standardowy lub na nieznane jeszcze cechy boskiej cząstki.

Poszukiwanie dowodów na ten rzadki rodzaj rozpadu bozonu Higgsa od samego początku było niezwykle trudne. We wcześniejszych kampaniach obserwacyjnych naukowcy poszukiwali rozpadu na bozon Z oraz foton szukając w danych produktów rozpadu bozonu Z, czyli par elektronów i mionów. Problem w tym, że taki rozpad bozonu Z występuje tylko w 6,6 proc. przypadków. Zważając natomiast na to, że bozon Z pojawia się jedynie w 0,15 proc. przypadków rozpadu bozonu Higgsa, szanse na odkrycie par mionów i elektronów były bardzo niskie.

To dopiero początek fascynujących eksperymentów

Wyzwanie stojące przed naukowcami nie ograniczało się jedynie do rzadkości występowania poszukiwanych procesów, ale także do osiągnięcia precyzji pozwalającej na odróżnienie wyraźnych sygnałów od szumu tła. W tym celu do pracy zaprzęgnięto zaawansowane techniki uczenia maszynowego. Dodatkowo w celu zwiększenia precyzji pomiarów naukowcy zespołów ATLAS oraz CMS połączyli siły i zestawy danych zebrane w obu eksperymentach prowadzonych od 2015 do 2018 roku podczas drugiej kampanii obserwacyjnej Wielkiego Zderzacza Hadronów. Współpraca się opłaciła, bowiem dzięki niej udało się odkryć pierwsze dowody na zaobserwowanie procesu rozpadu bozonu Higgsa na bozon Z oraz foton.

Warto jednak pamiętać, że to dopiero obiecujący początek. Naukowcy wskazują, że obecnie trwająca trzecia kampania obserwacyjna LHC oraz zaplanowana na 2025 rok kampania Wielkiego Zderzacza Hadronów o Wysokiej Jasności (High-Luminosity LHC) poprawią precyzję danych i pozwolą na obserwowanie nawet jeszcze rzadszych rozpadów cząstek Higgsa. Kto wie, być może jesteśmy u progu odkrycia procesów i cząstek wykraczających poza Model Standardowy, a tym samym bliżej poznania prawdziwej natury rzeczywistości.