Bozon Higgsa, potocznie nazywany „Boską Cząstką”, jest fizyczną manifestacją pola Higgsa, które wypełnia całą przestrzeń. Choć od jego odkrycia w 2012 roku minęła już ponad dekada, fizycy wciąż starają się zrozumieć pełen zakres jego właściwości. Samoodziaływanie bozonu Higgsa jest procesem, w którym jedna cząstka Higgsa rozpada się na dwie lub więcej, co bezpośrednio wynika z kształtu potencjału pola Higgsa. Zrozumienie tego mechanizmu jest niezbędne, aby wyjaśnić stabilność próżni we Wszechświecie oraz proces zwany przejściem fazowym, który miał miejsce ułamki sekund po powstaniu kosmosu. Gdyby parametry te różniły się od przewidywań Modelu Standardowego, mogłoby to oznaczać istnienie nowej, nieznanej jeszcze fizyki.
„Złoty kanał” rozpadu i potęga danych
Aby zbadać to niezwykle rzadkie zjawisko, fizycy z kolaboracji ATLAS skupili się na badaniu par bozonów Higgsa (HH). Jest to zadanie karkołomne, ponieważ produkcja pary tych cząstek zdarza się statystycznie raz na bilion zderzeń protonów. Naukowcy przeanalizowali tzw. „złoty kanał” rozpadu, w którym jeden bozon Higgsa rozpada się na dwa kwarki denne (bottom quarks), a drugi na dwa fotony. Choć jest to proces rzadki, pozwala on na niezwykle precyzyjne oddzielenie sygnału od szumu tła dzięki charakterystycznej sygnaturze wysokoenergetycznych fotonów.
Czytaj także: Bozon Higgsa rozpada się na miony. Nowe dane z CERN wzmacniają podstawy Modelu Standardowego
Kluczem do sukcesu było połączenie całego zbioru danych z drugiego cyklu pracy akceleratora (Run 2, lata 2015–2018) z najnowszymi danymi z trwającego trzeciego cyklu (Run 3, lata 2022–2024). Łącznie przeanalizowano dane o świetlności przekraczającej 300 odwrotnych femtobarnów (fb⁻¹). Jeden odwrotny femtobarn odpowiada około 100 bilionom kolizji proton-proton, co oznacza, że badacze musieli przesiać niewyobrażalną liczbę zdarzeń, aby odnaleźć ślady interesujących ich procesów. Jest to pierwsza publikacja ATLAS-a oparta na tak ogromnej bazie danych, co znacząco zwiększyło moc statystyczną pomiarów.
Sztuczna inteligencja w służbie fizyki cząstek
Wyzwanie polegało nie tylko na ilości danych, ale także na obecności procesów Modelu Standardowego, które „udają” rozpady bozonu Higgsa. Aby wyeliminować tło i wyizolować poszukiwany sygnał, zespół ATLAS wykorzystał zaawansowane techniki uczenia maszynowego. Algorytmy AI zostały wytrenowane do rozpoznawania subtelnych różnic w geometrii zderzeń i rozkładzie energii produktów rozpadu. Dzięki temu udało się osiągnąć czystość sygnału, która wcześniej była nieosiągalna, co przełożyło się na wyznaczenie nowych, rekordowo precyzyjnych limitów na parametry oddziaływań.
Rekordowe limity i co z nich wynika?
Wyniki opublikowane w prestiżowym czasopiśmie Physics Letters B wskazują na coraz większą zgodność obserwowanych zjawisk z Modelem Standardowym, ale jednocześnie pozostawiają pole do poszukiwań anomalii. Fizycy wyznaczyli granice dla dwóch kluczowych parametrów. Pierwszy z nich to siła samoodziaływania Higgsa, która według nowych pomiarów mieści się w zakresie od -1,6 do 6,6 wielkości przewidywanej przez teorię. Drugi to siła oddziaływania między dwoma bozonami Higgsa a dwoma bozonami wektorowymi (W lub Z), którą ograniczono do przedziału od -0.5 do 2.6 przewidywanej wartości.
Czytaj także: Wykonali najdokładniejszy pomiar bozonu Higgsa w historii. Niebywałe osiągnięcie nauki stało się faktem
Dla laika te liczby mogą wydawać się abstrakcyjne, ale dla fizyka oznaczają one drastyczne zawężenie obszaru, w którym może ukrywać się „nowa fizyka”. Każde przesunięcie tych granic przybliża nas do momentu, w którym będziemy mogli z całą pewnością stwierdzić, czy bozon Higgsa zachowuje się dokładnie tak, jak chciałby tego Model Standardowy, czy też wykazuje subtelne odchylenia będące bramą do teorii takich jak supersymetria czy istnienie dodatkowych wymiarów.
Przyszłość pod znakiem wysokiej świetlności
Osiągnięcie to stanowi zaledwie wstęp do tego, co czeka nas w najbliższych latach. Przed naukowcami analiza pełnego zbioru danych z Run 3, a w dalszej perspektywie – uruchomienie Wielkiego Zderzacza Hadronów Wysokiej Świetlności (HL-LHC). Nowa odsłona akceleratora pozwoli na generowanie jeszcze większej liczby kolizji, co umożliwi przejście od wyznaczania limitów do precyzyjnego pomiaru wartości samoodziaływania. Eksperyment ATLAS udowodnił, że dysponuje narzędziami i metodologią, które pozwolą w nadchodzącej dekadzie ostatecznie rozwikłać zagadkę mechanizmu Higgsa i być może odkryć procesy, które ukształtowały nasz Wszechświat w pierwszej mikrosekundzie jego istnienia.
