Νέα στοιχεία για το σωματίδιο Higgs για Φυσικούς

Το μποζόνιο Higgs είναι το μόνο σωματίδιο που προβλέπεται από το Καθιερωμένο
Πρότυπο της φυσικής στοιχειωδών σωματιδίων που δεν έχει ακόμα ανιχνευθεί
πειραματικά. Η ανίχνευσή του θα αποτελούσε ένα σημαντικό βήμα για την κατανόηση
του μηχανισμού μέσω του οποίου τα σωματίδια αποκτούν μάζα. Αντιστρόφως, η μη
εύρεση του μποζονίου Higgs στον επιταχυντή LHC θα ήταν πολύ σημαντική και θα
οδηγούσε σε μεγαλύτερη έμφαση σε εναλλακτικές θεωρίες πέρα από το Καθιερωμένο
Πρότυπο με αντίστοιχα σωματίδια παρόμοια με το Higgs.
Σήμερα, η ερευνητική ομάδα του πειράματος CMS παρουσίασε τα τελευταία
αποτελέσματα από την αναζήτηση του μποζονίου Higgs όπως προβλέπεται από το
Καθιερωμένο Πρότυπο, χρησιμοποιώντας το σύνολο των δεδομένων από συγκρούσεις
πρωτονίων-πρωτονίων που συλλέχθηκαν μέχρι το τέλος του 2011. Τα δεδομένα αυτά
αναλογούν σε 4.7 fb-1 ολοκληρωμένης φωτεινότητας [Παρ:FB], το οποίο δίνει τη
δυνατότητα στην ερευνητική ομάδα του CMS να μελετήσει την παραγωγή του
σωματιδίου Higgs σχεδόν σε όλο το εύρος τιμών της μάζας πάνω από το όριο των 114
GeV/c2 (ή 114 GeV σε φυσικές μονάδες [Παρ:GEV]) από τα πειράματα του επιταχυντή
ηλεκτρονίων-ποζιτρονίων (LEP) του CERN έως και 600 GeV/c2. Τα αποτελέσματά μας
επετεύχθησαν συνδυάζοντας τα αποτελέσματα της αναζήτησης από ένα αριθμό
προβλεπομένων καναλιών διάσπασης του Higgs συμπεριλαμβανομένων: ζεύγη W ή Ζ
μποζονίων, τα οποία διασπώνται σε τέσσερα λεπτόνια; ζεύγη βαρέων quarks; ζεύγη τ-
λεπτονίων; και ζεύγη φωτονίων (σχἠμα 1).

Σχἠμα 1: Ένα τυπικό υποψήφιο γεγονός το οποίο περιλαμβάνει δυο φωτόνια υψηλής
ενέργειας (που αναπαριστώνται με τους πύργους με το κόκκινο χρώμα) των οποίων η
ενέργεια έχει μετρηθεί με το ηλεκτρομαγνητικό θερμιδόμετρο του CMS. Οι κίτρινες
γραμμές είναι οι τροχιές άλλων σωματιδίων που παρήχθησαν κατά την σύγκρουση.

Τα προκατακτικά μας αποτελέσματα, για διάφορους στατιστικούς βαθμούς
εμπιστοσύνης (CL) [Παρ: CL], εξαιρούν την ύπαρξη του μποζονίου Higgs παραγόμενο
σύμφωνα με το Καθιερωμένο Πρότυπο, σε ένα μεγάλο εύρος πιθανών τιμών της μάζας
του:
• 127 – 600 GeV με βαθμό εμπιστοσύνης 95%, όπως δείχνει to σχήμα 2α
• 128 – 525 GeV με βαθμό εμπιστοσύνης 99%.
Μια τιμή μάζας του Higgs θεωρείται ότι «εξαιρείται με βαθμό εμπιστοσύνης 95%», αν
το μποζόνιο Higgs στο Καθιερωμένο Πρότυπο με τη συγκεκριμένη τιμή μάζας
παρουσίαζε περισσότερες ενδείξεις ότι υπάρχει απ’ότι έχει παρατηρηθεί στα δεδομένα
μας τουλάχιστον στο 95% των περιπτώσεων από μια σειρά επαναλαμβόμενων
πειραμάτων.

Δεν αποκλείουμε ένα σωματίδιο Higgs στο Καθιερωμένο Πρότυπο με μάζα στην περιοχή
μεταξύ 115 GeV και 127 GeV με βαθμό εμπιστοσύνης 95%. Συγκρινόμενο με τις
προβλέψεις του Καθιερωμένου Προτύπου, υπάρχει ενά πλεόνασμα γεγονότων στο
συγκεκριμένο διάστημα μαζών όπως φαίνεται στο σχἠμα 2 σε πέντε ανεξάρτητα
κανάλια.

Σχημα 2α: Όρια εξαίρεσης τιμών μάζας για το μποζόνιο Higgs στο Καθιερωμένο
Πρότυπο με βαθμό εμπιστοσύνης 95% (κάτω από την κόκκινη γραμμή). Η ανάλυση
στηρίζεται σε ένα δείγμα δεδομένων 4.7fb-1 από συγκρούσεις πρωτονίων-πρωτονίων που
συλλέχθηκαν και πιστοποιήθηκαν από το πείραμα CMS κατά το 2010 και 2011. Οι
γραμμωμένες ζώνες δείχνουν τις περιοχές τιμών μάζας που είχαν εξαιρεθεί από το LEP,
το Tevatron του Fermilab και τώρα από το CMS. Η διακεκομένη γραμμή και οι περιοχές
με πράσινο και κίτρινο χρώμα παρουσιάζουν τη μέση αναμενόμενη ευαισθησία του CMS
που αντιστοιχεί στο στατιστικό δείγμα των δεδομένων που επεξεργάστηκαν.

Με βάση τα δεδομένα που έχουν συλλεχθεί μέχρι τώρα, είναι εγγενώς δύσκολο να
κάνουμε διάκριση μεταξύ των δύο υποθέσεων της ύπαρξης ή μη σήματος προερχόμενου
από ένα Higgs σωματίδιο στην περιοχή μικρών τιμών μάζας. Το παρατηρούμενο
πλεόνασμα γεγονότων θα μπορούσε να προέρχεται από μια στατιστική διακύμανση των
γνωστών διεργασιών υποβάθρου, ανεξάρτητα από την ύπαρξη ή όχι του Higgs
σωματιδίου στην περιοχή αυτή των τιμών μάζας. Οι μεγαλύτερες ποσότητες δεδομένων
οι οποίες θα συλλεχθούν το 2012 θα μειώσουν τις στατιστικές αβεβαιότητες,
επιτρέποντάς μας να προβούμε σε μια ξεκαθαρή δήλωση ως προς την πιθανή ύπαρξη ή
όχι του Higgs μποζονίου όπως προβλέπεται από το Καθιερωμένο Πρότυπο στη
συγκεκριμένη περιοχή τιμών μάζας.

Σχἠμα 2b: Όρια εξαίρεσης για το μποζόνιο Higgs στο Καθιερωμένο Πρότυπο με βαθμό
εμπιστοσύνης 95% για 4.7 fb-1 από συγκρούσεις πρωτονίων – πρωτονίων που
συλλέχθηκαν από το πείραμα CMS το 2010 και 2011, στην περιοχή μικρών τιμών μάζας.

Το πλεόνασμα γεγονότων εἰναι περισσοτερο συμβατό με την υπόθεση ενός Higgs
μποζονίου όπως προβλέπεται από το Καθιερωμένο Πρότυπο στην περιοχή των 124 GeV
και λιγότερο, αλλά με στατιστική σημαντικότητα λιγότερη των 2 τυπικών αποκλίσεων
(2σ) από των γνωστών διεργασιών υποβάθρου και αφού έχει ληφθεί υπόψην η λεγόμενη
διόρθωση του “Κοιτάζω Και Αλλού” [Παραπομπή:LEE]. Αυτό είναι αρκετά χαμηλότερο
από το επίπεδο σημαντικότητας που παραδοσιακά σχετίζεται με περιπτώσεις
πλεονασμάτων οι οποίες αντέχουν την «δοκιμασία του χρὀνου».
Αν διερευνήσουμε την υπόθεση ότι το πλεόνασμα γεγονότων που παρατηρούμε θα
μπορούσε να αποτελέσει την πρώτη ένδειξη ύπαρξης του Higgs μποζονίου όπως
προβλέπεται από το Καθιερωμένο Πρότυπο, βρίσκουμε ότι ο ρυθμός παραγωγής του (η
σχετική ενεργός διατομή του σε σχέση με την πρόβλεψη από το Καθιερωμένο
Πρότυπο, σ/σSM) για κάθε κανάλι διάσπασης συνάδει με την αναμενόμενη τιμή, παρόλο
που υπάρχουν μεγάλες στατιστικές αβεβαιότητες. Ωστόσο, το χαμηλό επίπεδο
στατιστικής σημαντικότητας υποδηλώνει ότι αυτά τα παρατηρούμενα πλεονάσματα
γεγονότων μπορούν να ερμηνευθούν σαν διακυμάνσεις του υποβάθρου.
Τα περισσότερα δεδομένα, τα οποία θα συλλεχθουν το 2012, θα μας βοηθήσουν να
εξακριβώσουμε τη προέλευση του πλεονάσματος.

O Rolflf-Dieter Heuer (μέσον) με την Fabiola Gianotti (παρουσίασε τα δεδομένα του ATLAS) και τον Guido Tonelli (παρουσίασε τα δεδομένα του CMS)

Κατά την Φαμπιόλα Τζιανότι, Ιταλίδα φυσικό που εργάζεται στο πείραμα ATLAS, η πιο πιθανή «περιοχή» βρίσκεται στις κατώτερες στάθμες ενέργειας. Όπως δήλωσε η Τζιανότι, «νομίζω ότι θα ήταν πολύ ευγενικό από πλευράς του μποζονίου Χιγκς να βρισκόταν εδώ…αλλά είναι πολύ νωρίς» για τελικά συμπεράσματα, δήλωσε, συμπληρώνοντας ότι χρειάζονται περισσότερες μελέτες και δεδομένα. «Οι επόμενοι μήνες θα είναι πολύ συναρπαστικοί…δεν ξέρω ποια θα είναι τα τελικά συμπεράσματα»

 Ο Stefan Soldner-Rembold, από το Πανεπιστήμιο του Μάντσεστερ χαρακτήρισε την ποιότητα των αποτελεσμάτων του LHC "εξαιρετική", προσθέτοντας: “Μέσα σε ένα χρόνο θα είμαστε σε θέση ίσως να γνωρίζουμε αν το σωματίδιο Higgs υπάρχει, αλλά είναι πιθανόν να μην πρόκειται για ένα χριστουγεννιάτικο δώρο . "

Η τελευταία σελίδα της σημερινής παρουσίασης των αποτελεσμάτων

Πηγή :http://cms.web.cern.ch/news/cms-search-standard-model-higgs-boson-lhc-data-2010-and-2011
 http://www.bbc.co.uk/news/science-environment-16158374
 http://www.newscientist.com/article/dn21279-lhc-sees-hint-of-lightweight-higgs-boson.html?DCMP=OTC-rss&nsref=online-news

http://indico.cern.ch/getFile.py/access?contribId=0&resId=1&materialId=slides&confId=164890

και λίγη περισσότερη θεωρία....

Μποζόνια: σωμάτια που υπακούουν στη στατιστική Bose-Einstein. Έχουν ακέραιο spin. Μποζόνια είναι όλα τα σωμάτια αλληλεπίδρασης (φωτόνια, γλοιόνια, βαρυτόνια, W+, W_, Z).
Καθιερωμένο πρότυπο (Standart Model) : η θεωρία που περιγράφει τα στοιχειώδη σωματίδια και τις μεταξύ τους αλληλεπιδράσεις , εκτός της βαρύτητας.Σύμφωνα με αυτό το πρότυπο υπάρχουν 12 στοιχειώδη σωμάτια ( δες φωτογραφία ) 6 λεπτόνια και 6 κουαρκς. Τα στοιχειώδη σωμάτια αλληλεπιδρούν μεταξύ τους με την ανταλλαγή μποζονίων.

Το καθιερωμένο πρότυπο

Μηχανισμός Higgs: εξηγεί πώς τα σωματίδια αποκτούν μάζα και γιατί οι μάζες τους είναι τόσο διαφορετικές. Το σωματίδιο Higgs είναι μία από τις συνιστώσες του πεδίου Higgs και η ύπαρξή του προβλέπεται από το Καθιερωμένο πρότυπο. Η εύρεση του σωματιδίου Higgs θα κλείσει ένα από τα ελάχιστα κενά του Καθιερωμένου προτύπου.
Επειδή ο χρόνος ζωής του σωματιδίου Higgs είναι πάρα πολύ μικρός η ανίχνευσή του θα παρατηρηθεί έμμεσα μέσω των προϊόντων που διασπάται και τα οποία είναι ανιχνεύσιμα.

Το σωματίδιο πήρε το όνομα του από τον Βρετανό επιστήμονα Πίτερ Χιγκς που ήταν ο πρώτος που μίλησε για αυτό πριν από 44 χρόνια. Το μποζόνιο Χιγκς είναι το μόνο από τα σωματίδια του Καθιερωμένου Μοντέλου που εξακολουθεί να διαφεύγει από τα όργανα παρατήρησης των ερευνητών. Αυτό συμβαίνει γιατί, σύμφωνα με τη θεωρία, εμφανίζεται μόνο σε εξαιρετικά υψηλές ενέργειες σαν αυτές που παρήχθησαν αμέσως μετά την Μεγάλη Έκρηξη.
Στα πειράματα που γίνονται με τον LHC γίνονται συνεχώς προσπάθειες αναδημιουργίας των συνθηκών που επικράτησαν όταν συνέβη η Μεγάλη Έκρηξη και έτσι πιστεύεται ότι είναι πολύ πιθανό να εντοπιστεί εκεί το μποζόνιο. Ο Πίτερ Χιγκς πιστεύει ότι με την χρήση του επιταχυντή στο CERN είναι πλέον θέμα χρόνου για να επιβεβαιωθεί και πειραματικά η ύπαρξη του μποζονίου που φέρει το όνομά του. Ο 82χρονος επιστήμονας ευελπιστεί ότι αυτό θα συμβεί σύντομα ώστε να προλάβει να πάρει στα χέρια του το Νόμπελ Φυσικής που θεωρείται βέβαιο ότι θα λάβει σε περίπτωση που κάνει την εμφάνιση του το μυστηριώδες σωματίδιο.

Στο παραπάνω σχέδιο μπορεί να καταλάβουμε  πώς το σωματίδιο Higgs δημιουργεί τη μάζα των άλλων σωματιδίων. Ο κενός χώρος παρομοιάζεται με μια παραλία γεμάτη με παιδιά. Ένα σωμάτιο που διασχίζει την περιοχή αυτή του χώρου παρομοιάζεται με την άφιξη ενός παγωτατζή. Η αλληλεπίδρασή του με τα παιδιά τον επιβραδύνει και τον κάνει να συμπεριφέρεται σα να απόκτησε μάζα.

Συχνά το σωματίδιο Higgs αναφέρεται ως σωματίδιο του Θεού. Αυτός ο χαρακτηρισμός ποτέ δεν δίνεται από επιστήμονες αλλά είναι μια "εξυπνάδα" των ΜΜΕ που εκμεταλλεύτηκαν (με κάκιστο τρόπο) ένα εκλαϊκευτικό βιβλίο του Lederman με αντίστοιχο τίτλο. Μάλιστα, είναι ενδιαφέρον να ακουστεί πώς μπήκε αυτός ο τίτλος ("The God Particle") στο βιβλίο Η αρχική πρόταση του Lederman ήταν "The Goddam Particle", δηλαδή το καταραμένο σωματίδιο, που ο εκδότης δεν το δέχτηκε και το άλλαξε σε God Particle !!!! Αυτά από μια συνέντευξη που είχε δώσει ο ίδιος ο Higgs . Την παραπάνω πληροφορία μου έδωσε ο Ν.Δ. Τράκας Αναπληρωτής καθηγητής του ΕΜΠ.


Σχετική  αρθρογραφία:

Physics ntua
Για τη Φυσική του Γιάννη Φιορεντίνου
Britannica 
Physics 4u
καθώς και το Εισαγωγή στη Σύγχρονη Φυσική Ι.Γραμματικάκη Εκδόσεις Δημόπουλου
Πηγή :www.kathimerini.gr με πληροφορίες από ΑΠΕ-ΜΠΕ, BBC, ΑΡ, Reuters
 http://www.bbc.co.uk/news/science-environment-16158374
 http://www.newscientist.com/article/dn21279-lhc-sees-hint-of-lightweight-higgs-boson.html?DCMP=OTC-rss&nsref=online-news