W naukowej opowieści o duchach, amerykański zderzacz atomów wniósł ważny wkład naukowy 3,5 roku po zamknięciu. Naukowcy donoszą, że zderzacz Tevatron w Batavii w stanie Illinois dostarczył nowych szczegółów na temat natury słynnego bozonu Higgsa – cząstki, która jest kluczem do wyjaśnienia przez fizyków, w jaki sposób inne podstawowe cząstki uzyskują swoją masę i fragment teorii zwanej modelem standardowym. Nowy wynik potwierdza, że bozon Higgsa, który został odkryty w innej maszynie do rozbijania atomów, dokładnie pasuje do przewidywań modelu standardowego.
„To bardzo interesująca i ważna praca, ponieważ jest to inny mechanizm” do badania właściwości bozonu Higgsa, mówi John Ellis, teoretyk z King’s College London i CERN, który nie był zaangażowany w pracę. „To łabędzi śpiew Tevatronu.
Tevatron, 7-kilometrowy zderzacz w kształcie pierścienia w Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) w Batavii, Illinois, działał od 1983 do września 2011 roku. Dostrzegł on wskazówki dotyczące bozonu Higgsa, ale nigdy nie odkrył tej cząstki. Ten zaszczyt przypadł fizykom pracującym przy Wielkim Zderzaczu Hadronów (LHC), 27-kilometrowej maszynie do rozbijania atomów w CERN-ie, europejskim laboratorium fizyki cząstek elementarnych niedaleko Genewy w Szwajcarii. Ogłosili oni swoje odkrycie w lipcu 2012 r.
Jak tylko fizycy z LHC odkryli cząstkę Higgsa, ustalili jej masę: 125 gigaelektronowoltów, czyli około 133 razy więcej niż masa protonu. Cząstka ta ma jednak również inne charakterystyczne właściwości. Jak wszystkie cząstki fundamentalne, cząstka Higgsa ma stały i skwantowany moment pędu, czyli spin. Posiada również właściwość symetrii zwaną parzystością, która może być parzysta lub nieparzysta i która wpływa na przykład na sposób, w jaki cząstka Higgsa może rozpadać się na inne cząstki. Zgodnie z modelem standardowym, cząstka Higgsa powinna mieć zerowy spin i dodatnią parzystość. Nie można jednak wykluczyć, że obserwowana cząstka może mieć zero spinu i ujemny parytet lub dwie jednostki spinu i dodatni parytet. Wielu fizyków byłoby zachwyconych, gdyby cząstka Higgsa miała tak egzotyczną „parzystość spinową”, ponieważ wskazywałoby to na nowe zjawiska, których nie przewiduje model standardowy.
W rzeczywistości, eksperymentatorzy pracujący w dwóch największych detektorach cząstek zasilanych przez LHC – potężnych urządzeniach zwanych ATLAS i CMS – wykazali już z dużą pewnością, że bozon Higgsa ma zerowy spin i parzystość. Aby tego dokonać, badali rozpad bozonu Higgsa na znane cząstki, takie jak para fotonów lub para masywnych cząstek zwanych bozonami Z. Z rozkładów kątowych tych cząstek wynika, że bozon Higgsa ma zerowy spin i parzystość. Na podstawie rozkładu kątowego tych cząstek pochodnych fizycy byli w stanie określić spin i parzystość macierzystej cząstki Higgsa.
Badacze pracujący z danymi z Tevatronu obrali inną drogę. Zamiast badać rozpady bozonów Higgsa, szukali śladów Higgsa wyprodukowanego w tandemie z bozonem Z lub W, cząstkami przenoszącymi słabą siłę jądrową, jak wyjaśniają w artykule opublikowanym w Physical Review Letters. (Zakładano, że Higgs rozpada się na parę cząstek znanych jako kwark dolny i antykwark dolny). Z energii i pędów cząstki Higgsa i jej partnera naukowcy wyliczyli wielkość zwaną masą niezmienniczą dla tej pary. Gdyby cząstka Higgsa i jej partner powstały w wyniku rozpadu jednej cząstki macierzystej, ta wielkość byłaby masą tego rodzica. W rzeczywistości cząstka Higgsa i jej partner wyłoniliby się bezpośrednio z chaosu zderzenia cząstek, więc cząstka macierzysta jest czysto hipotetyczna.
Niemniej jednak, obliczając masę tej hipotetycznej cząstki macierzystej, naukowcy mogli testować różne kombinacje spinu i parzystości. Jeśli Higgs miałby „egzotyczną” parzystość i spin zamiast cech modelu standardowego, obserwowana masa niezmiennicza byłaby wyższa. Naukowcy pracujący w dwóch detektorach cząstek zasilanych przez Tevatron – CDF i D0 – szukali takich par o wysokiej masie niezmienniczej. Nie znajdując ich, wykluczyli nawet bardziej egzotyczne wersje Higgsa. Nawet jeśli fizycy z Tevatronu nigdy nie zaobserwowali bozonu Higgsa, byli w stanie określić jego właściwości.
Technicznie, nowe limity Tevatronu są nieco silniejsze niż limity wyznaczone przez eksperymenty LHC, mówi Dmitri Denisov, fizyk z Fermilabu, który pracuje nad D0. Ellis z CERN-u twierdzi jednak, że ATLAS i CMS w zasadzie rozstrzygnęły już tę kwestię.
Według Ellisa, naukowcy z Tevatronu przegapili okazję, by dogonić swoich kolegów z LHC w kwestii spinu i parzystości Higgsa. Zaledwie kilka tygodni po tym jak naukowcy z LHC odkryli cząstkę Higgsa, Ellis i współpracownicy wyjaśnili w swojej pracy, jak zespoły z Tevatronu mogą zastosować technikę niezmienniczej masy do swoich danych, aby podjąć „szybką ścieżkę” do zbadania spinu i parzystości Higgsa. Z powodów technicznych, technika ta będzie bardziej czuła na danych z Tevatronu niż z danych z LHC, wyjaśnili, ponieważ Tevatron zderzał protony i antyprotony, podczas gdy LHC zderzał protony i protony. W końcu jednak, analiza danych z Tevatronu postępowała powoli, ponieważ członkowie zespołów CDF i D0 odeszli, by pracować przy LHC. „Wynik ten ma raczej charakter 'my też' niż 'my pierwsi', na co liczyliśmy” – mówi Ellis.
Denisov zgadza się, że brak ludzi utrudniał postęp. Zauważa, że cały pomysł mógł zostać wypróbowany jeszcze przed odkryciem Higgsa: „Gdybyśmy przyszli do nas rok wcześniej, moglibyśmy określić spin i parzystość Higgsa jeszcze przed jego odkryciem.”
Jeśli chodzi o badania Higgsa w Tevatronie, „to w zasadzie wszystko,” mówi Denisov. W międzyczasie fizycy pracujący przy LHC starają się badać inne własności cząstki Higgsa z większą precyzją. W szczególności, mają nadzieję zmierzyć z dokładnością do kilku punktów procentowych, jak szybko cząstka Higgsa rozpada się na różne kombinacje bardziej znanych cząstek i porównać to z przewidywaniami modelu standardowego. Naukowcy twierdzą, że prace te powinny potrwać około 15 lat.