SZILLÁSI ZOLTÁN
Higgs-bozonok keresése
Kérem a tisztelt olvasót, ne lepődjön meg a címen. Az írás tényleg a Higgs-bozonok kísérleti kereséséről szól. Még mielőtt azonban a keresés leírásába belefognék, érdemes kicsit körüljárni eszközeinket, a detektorokat, de írok arról is, hány Higgs-bozon jelenik meg az elméletekben (nem kell megijedni, bonyolult képletek nélkül). A cikk végén szó lesz a Higgskeresés legfontosabb elemeiről, az eredményekről, és legfőképpen arról, mi magyarok mennyire „rúghatunk labdába" ebben az izgalmas kutatási témában.
A mai részecskefizikában igen nagy és bonyolult detektorokat használunk. Ennek egyik oka az, hogy a tudományterület manapság rengeteg kérdést vet fel, s ha minden egyes probléma megoldására új (bár a feladathoz tökéletesen megépített) detektort terveznénk, ez a mai (nem kis!) költségek sokszorosára rúgva, s ráadásul a helyigénye is óriási. A másik ok, hogy az egyedi, manapság érdekes folyamatok hatáskeresztmetszete1olyan kicsi, hogy ha egyszerre csak egy problémára koncentrálnánk, a kutatások akár több évtizedig is eltartanának.
Mindemellett meg kell még említenünk, hogy a ma érdekes folyamatok olyan hatalmas energián játszódnak le, aminek előállításához hatalmas gyorsítókat kell építeni2. E gyorsítók mérete kilométeres nagyságrendû, energiafogyasztása pedig összemérhető egy Debrecen méretû városéval.
A világ ma legnagyobb nemzetközi együttmûködése a jelenleg húsz tagországot (beleértve hazánkat is) tömörítő, genfi székhelyû CERN. Itt található a 27 kilométer kerületû Large Electron Positron Collider(LEP, Nagy Elektron-Pozitron Ütköztető), melyen négy nagy kísérlet is folyik.
Az elmondottak alapján érthető, hogy a modern kísérleti részecskefizika szakított az évszázadokig tartó „hagyományokkal", kilépett az „elefántcsonttoronyból". Nem ritkaság ma már, hogy akár ezer fizikus is együtt dolgozik ugyanazon a témán3.
| 1. ábra. Általános célra tervezett részecskefizikai detektor. Adetektor „hagymahéjszerûen" épül fel. Legbelül találhatók a töltött részecskék pályáját meghatározó aldetektorok (szilíciumdetektor és vertexdetektor). Ezt követik az elektromágneses-, majd hadron-kaloriméterek. Végül, a legkülső héjon találhatók a müonkamrák. A detektort egy szolenoid mágneses terébe építették, amely segítségével a részecskepályák görbületéből a töltött részecskék impulzusa meghatározható. | |
|
| Ezen kis kitérő után essen szó bővebben a kutatáshoz használt detektorokról. A kísérletek célja, hogy az adott folyamatok különböző fizikai paramétereit meghatározzuk. A még nem látott mechanizmusoknál (amelyeket az elméletek megjósolnak) pedig az a feladat, hogy az adott folyamatot megtaláljuk. Mindkét esetben azonosítani kell a folyamatokban résztvevő, megfigyelhető4 részecskéket. A részecske-azonosításhoz ismerni kell a szóban forgó részecske impulzusát, pályáját és energiáját (1. ábra).
Köztudott, hogy mágneses térben a töltött részecskék a részecske töltésétől, impulzusától és a mágneses tér erősségétől függő körpályán mozognak. Ezt kihasználva a detektorok általában a szolenoid mágneses terében vannak. Így - a mágneses tér mértékét pontról pontra ismerve - a részecske impulzusa meghatározható pályaelemeinek mérésével5. Ennek érdekében a detektorok legbelső részén általában olyan detektorelemek helyezkednek el, amelyek a töltött részecskék pályáját nagy pontossággal (néhány mikrométer) határozzák meg.
A részecskék két nagy kategóriába oszthatók energiájuk mérésének módja szerint: elektromágnesesen és hadronikusan kölcsönhatókra. Az elektromágnesesen kölcsönhatók - az energia mérésére szolgáló eszközben, a kaloriméterben - alapvetően az alábbi folyamattal veszítik el energiájukat. Tegyük fel, hogy a bejövő részecske egy elektron. Ez elektromágnesesen kölcsönhat a kaloriméterben levő atommagokkal. Ennek eredményeképpen kisugároz egy fotont (így energiája csökken). A kirepülő foton szintén a kalorimétert alkotó atomok magjainak terében egy elektronra és egy pozitronra esik szét. Ez a folyamat a párkeltés.Ha az eredeti elektron és a másodlagos elektron energiája megengedi, újabb fotonok keletkezhetnek. A folyamat zápor kialakulásához vezet, amit az átlátszó kristályokból készült kaloriméter felvillanással jelez. Ennek nagysága és egyéb paraméterei a bejövő részecske energiájáról árulkodnak.
A hadron-kaloriméterekben a részecskék energiájukat a rendszerint nagy rendszámú elemekből (például uránium) felépülő kaloriméter-anyaggal történő magreakciók formájában adják le. A hadron-kaloriméterek egyik típusa az úgynevezett mintavevő.Ebben a típusban egymással váltakozva helyezkednek el a nagy rendszámú rétegek és a szcintillátorok6. Durván fogalmazva, a szcintillátor akkor ad jelet, ha az előtte levő rétegen át tudott hatolni a részecske. Így információ kapható a részecske energiájáról.
A leírt energiamérésen kívül a kaloriméterek a részecske becsapódásának helyét is mérik azzal, hogy nem egy tömbben készülnek, hanem „téglaszerûen" fedik le a rendelkezésükre álló helyet. Persze tudnunk kell, hogy ez a helyzetmeghatározás nagyságrendekkel pontatlanabb, mint a kimondottan erre a célra épülő detektoroké. Amíg a helyzetmeghatározó detektorok csak a töltött részecskék pályáját tudják mérni, addig a kaloriméterek helyinformációt adnak a semleges részecskékről is.
A részecskék azonosításakor még két fontos részecsketípusról beszélnünk kell. Az egyik a müon. Ez azért olyan kivételes, mert áthatolóképessége nagy, azaz gyakorlatilag csekély energiaveszteséggel képes keresztülhatolni az egész detektoron. Szerencsére, töltött részecske lévén pályája meghatározható. Mérésére általában a detektorok legkülső „héján" is elhelyeznek (esetenként több) helyzetmeghatározó detektort. Ezek már csak a müonokat érzékelik, mert a többi töltött részecske már a detektor belsőbb rétegeiben elnyelődik (így mérhető az energiája). A másik különleges részecske7a neutrínó.A neutrínó különlegessége abban áll, hogy csak nagyon gyengén képes kölcsönhatni az anyaggal. Meghökkentő, hogy a neutrínó képes úgy keresztülhatolni a teljes Földön, hogy közben nem veszít energiát, így észlelése és főleg energiamérése az általános célú detektoroknál reménytelen8. Aneutrínókat a már ismertetett kísérletek indirekten mutatják ki. Világunkban az egyik legérvényesebb törvénypár az energia- és az impulzusmegmaradás törvénye. Ezek azt mondják ki, hogy egy zárt rendszer (a részecskék ütközése a gyorsító belsejében annak tekinthető) energiája és összimpulzusa a rendszer komponenseinek reakciója előtt és után is azonos. Összehasonlítva a részecskefizikai folyamat előtti részecskék energiáját és összimpulzusát a folyamat után megfigyelhető részecskék energiájával és impulzusával, megkapható azoknak a részecskéknek az energiája és impulzusa, amelyek nem hagytak semmiféle információt a detektorban.
|
Hány Higgs-bozon van?
Ahogy a Standard Modell leírásában is láttuk9, az elektrogyenge folyamatoknál felvetődött a kérdés: hogyan lehetséges, hogy a kölcsönhatásokat közvetítő részecskék közül a fotonnak nincs tömege, míg a Z-és W-bozonoknak van. Ráadásul a Z- és W-bozonoknak nem is kicsi a tömege: mZ=91 GeV, mW=80 GeV (ez okozza, hogy olyan gyenge a gyenge kölcsönhatás). A Standard Modell önmagában azonban nem képes számot adni a tömegekről. Kitalálták hát a spontán szimmetriasértés elméletét10. Az elmélet ekkor már sikeresen számot adott a W- és Z-bozonok tömegéről, viszont megjelent egy addig ismeretlen részecske: a Higgs-bozon, amelynek tömegére ez a modell csak nagyon laza alsó és felső tömegkorlátot képes adni11.
Mivel még senki sem látott Higgs-bozont, nem tudjuk megmondani, hogy az egy Higgs-bozonos Standard Modell helyes leírást ad-e. Ezért az elméleti fizikusok - mintegy előre gondolkodva - olyan modelleket is alkottak, amelyekben több Higgs-bozon is van. Ezek egyike az úgynevezettkét-dublett kiterjesztésû Standard Modell.Ebben azonban már nem egy, hanem öt Higgs-bozon létezik, ezek közül három (H, h, A) semleges, míg kettő (H+, H-) töltött. Például a ma oly divatos Minimális Szuperszimmetrikus Standard Modellben12 is az öt Higgs-bozonos mechanizmus nyomait kutatjuk.
A Higgs-bozon keletkezése és bomlása
Mint láttuk, a Standard Modellen kívül több párhuzamos elmélet is létezik a Higgs-bozonokra. Mivel azonban nem tudjuk, melyik elmélet írja le helyesen a világban zajló folyamatokat, mindegyik hipotézist vizsgálnunk kell, azaz keresnünk kell olyan folyamatokat, amelyeket az elmélet megjósol. Mivel sem a Standard Modell, sem annak kiterjesztései nem adnak konkrét értéket a Higgs-bozon(ok) tömegére, olyan keresési stratégiát kell választani, ami végiglépeget a mai gyorsítók által szolgáltatott energiatartományon. Ennek két következménye is van. Először is az, hogy az egyre nagyobb energiákon egyre több folyamat képes Higgs-bozont létrehozni, azaz egyre több keletkezési, és ezzel együtt bomlási folyamatot kell vizsgálnunk. A másik következmény abból ered, hogy a gyorsítótechnika fejlődik, azaz minden évben kicsit magasabb energiát tudunk elérni. Ezért a kutatásokat minden energialépésnél meg kell ismételni, közben pedig új és új ötleteket kell használni.
A CERN LEP gyorsítóján két magyar tudóscsoport is foglalkozik a Higgs-bozonok kutatásával. A Debreceni Egyetem munkacsoportja Baksay Lászlóvezetésével az L3 nevû detektoron dolgozik, az 1995-től gyûjtött adatokat elemezik és rajtuk a Standard Modell két dublettkiterjesztésében megjelenő töltött Higgs-bozonokat keresnek. A másik csoport Horváth Dezső vezetésével az OPAL detektoron keres Higgsbozonokat. Mindkét csoport három éve dolgozik a CERNben, és dacára annak, hogy még mindig ugyanazt a részecskét keresik, éppen a fent említett okok miatt állandóan van munkájuk.
A Higgs-bozonok keletkezése nagymértékben függ az elérhető energiától. Általánosan fogalmazva, Higgs-bozon akkor keletkezhet egy számára megengedett13folyamatban, ha a keletkezésére fordítható energia legalább egyenlő a Higgsbozon nyugalmi tömegével.
| 2. ábra. Az ábrán a 189 GeV gyorsítóenergián várható három Standard Modell Higgs-bozon keltési folyamat hatáskeresztmetszete látható a Higgs-bozon tömegének függvényében. Figyeljük meg, hogy mind a W-fúzió, mind a Z-fúzió bekövetkeztének hatáskeresztmetszete mintegy két nagyságrenddel kisebb a Higgs-sugárzás hatáskeresztmetszeténél. | |
|
| A Standard Modell Higgs-bozonjának kutatásakor a CERN-i LEP-gyorsító által ma elérhető energiákon (@200 GeV) leginkább az úgynevezett Higgs-sugárzást keresik. Ekkor a detektorban az egymással ütköző elektron és pozitron megsemmisülésekor egy virtuális Z*-bozon keletkezik, ami jelen esetben annyiban különbözik a gyenge kölcsönhatást közvetítő bozontól, hogy nagyobb a tömege. Ez a Z*-bozon azután egy H Higgs-részecske kibocsátásával „bomlik" le a jól ismert Z-bozonba. Mindkettő élettartama rendkívül kicsi, így csak a Z, illetve a H bomlástermékeit tudjuk megfigyelni. Az ütközőnyalábos leptongyorsítókban az SM-Higgs még két keletkezési módjának van értékelhető valószínûsége: az ún. Wfúziónakés a Z-fúziónak. W-fúziósorán az ütköző elektron és pozitron egy-egy W-bozontbocsát ki, melyek Higgs-bozonná egyesülnek, a W-bozonok kibocsátása után pedig egy elektron- antineutrínó és egy elektron-neutrínó marad vissza. A Z- fúzióban a bejövő elektron és pozitron nem változik meg, csak az ütközésükre fordítódott energia (itt két Z-bozon) alakul át Higgs-részecskévé. Ezt a két folyamatot csak megemlítettük, ugyanis nem vizsgálják őket, mert a hatáskeresztmetszetük (azaz a bekövetkezésük valószínûsége) mintegy százszor kisebb, mint a Higgs-sugárzásé a modern gyorsítókkal elérhető energiákon (2. ábra).
A Standard Modell két-dublettes kiterjesztésében több Higgs-bozon fordul elő. Ezek keletkezése kicsit eltér a fentebb leírt SM-Higgs keletkezésétől. Foglalkozzunk először a semleges Higgs-bozonokkal. Itt a három semleges Higgs közül csak egy keletkezhet Higgs-sugárzás útján, ez a Higgsbozon viszont tovább bomolhat két A-Higgsre. A megengedett folyamatok közül nagy még a valószínûsége annak, hogy az elektron-pozitron megsemmisülésből származó Z*-bozonból a fentiektől eltérően nem Z, hanem A keletkezik. Ekkor tehát a végállapotban két Higgs-bozonunk lesz: egy Hés egy A.
A két-dublettes kiterjesztésben keletkezhetnek még töltött Higgs-bozonok is. A töltésmegmaradás törvénye miatt ezek azonban csak párban keletkezhetnek, mert a folyamatot megelőző állapotban sem volt az össztöltés nullától különböző (gondoljunk csak arra, hogy az elektron és a pozitron töltését ha összeadjuk, akkor nullát kapunk). Ilyenkor azt várjuk az elmélet szerint, hogy az elektron és a pozitron megsemmisülésekor keletkező (szintén semleges) Z* esik szét a töltött Higgsekre.
Természetesen, ahogy arról már írtunk, sem a Higgsbozonok, sem a Z-, illetve W-bozonok nem figyelhetők meg a detektorban közvetlenül. Kimutatásuk csak bomlástermékeiken keresztül lehetséges. Amint azonban látni fogjuk, a helyzet ennél sokkal bonyolultabb.
A Higgs-bozon a tömeghez csatolódik. Ez a nagyon „tudományízû" kijelentés azt takarja, hogy a Higgs a legnagyobb valószínûséggel a lehető legnagyobb tömegû részecskébe bomlik. A lehető legnagyobb tömegû pedig az a részecske, amelyiknek nyugalmi tömege legfeljebb akkora, mint (az esetlegesen mozgó) Higgs tömege14.
|
| 3. ábra. A Standard Modell Higgs-bozon bomlási folyamatainak hatáskeresztmetszetei a Higgs-bozon tömegének függvényében. Az ábrán látható, hogy azon a Higgs-bozon tömegtartományon, amelyen kísérleteink érzékenyek (mH < 110 GeV), a Higgs-bozon főleg bb- kvarkpárokba, illetve tt+t -leptonpárokba bomlik. | |
|
| A jelenlegi gyorsítókkal elérhető energiákon a Higgsbozonok nem tudnak W-, vagy Z-párokba bomlani, illetve a kvantummechanika miatt tudnak, de ennek a valószínûsége rendkívül kicsi. Azt a megállapítást tehetjük tehát, hogy ha a Higgs leptonikusan bomlik, akkor ezt tau-részecskébe (t) teszi. Persze, ekkor sem egy tauba bomlik, hanem rögtön kettőbe, mert ennek a bomlásnak is meg kell felelnie egyrészt a töltésmegmaradás törvényének, másrészt az úgynevezett leptonszám- megmaradás törvényének. Így tehát a várt bomlási mód: H® t+t- (3. ábra).
Nézzük most a Higgsek hadronikus bomlását. Tudjuk, hogy a hat kvark tömege igencsak eltérő15. Így az előbbiekben vázolt tömeghez kötődés miatt csak a két legnehezebb kvark, a b- és a t-kvark jöhet igazán számításba. A t tömegéről azonban tudjuk, hogy az kb. 174 GeV, ami igencsak több, mint amekkora Higgseket mi a gyorsítóinkkal egyáltalán létre tudnánk hozni. Marad tehát a b-kvark. Az utána tömegben következő c-kvarkba bomlás valószínûsége már olyan kicsi, hogy azt nem is vizsgálják. Természetesen a Higgs itt sem b-kvarkba bomlik, mert akkor a töltésmegmaradás mellett sok más megmaradási törvény sérülne. Például a színsem maradna meg, azaz mivel a Higgs-nek nincs színe, a b-nek pedig okvetlenül kell legyen, a b-be való bomlásnál a kezdeti szín (semleges) természetesen nem lenne azonos a bomlás utáni színnel. Egy semleges részecske bomlásánál ilyenkor tehát az a legkedvezőbb, ha egy részecskébe, plusz annak antirészecskéjébe bomlik. Jelen esetben ez úgy néz ki, hogy H ® b b-16. Így minden megmaradási törvény teljesül.
Nézzük most a töltött Higgs-bozont. Töltése vagy -1, vagy +1 (attól függően, hogy részecskéről vagy antirészecskéről beszélünk). Így nem bomolhat ugyanazon részecskébe és antirészecskébe egyszerre, de egy kvarkba és a kvarktáblázatban alatta (vagy fölötte, attól függően, hogy az adott kvark hol helyezkedik el) levőre igen. Azaz, ha mondjuk a H+ egy c-kvarkba bomlana, akkor választhatna magának „partnert" a d-, s-, illetve a b-kvarkok közül. A részecskeállapotok keveredését17 figyelembe véve azonban azt kapjuk, hogy a párba állás a b-és a d-kvarkkokkal sokkal kevésbé várható, mint az s-kvarkkal. Ha ezt még a tömeghez csatolással is összevetjük, azt kapjuk, hogy a mai gyorsítóenergiákon a töltött Higgsbozonok keresésénél elég csak a H®cs-, vagy H®c-s18 hadronikus bomlásokat figyelni.
A töltött Higgs hadronikus bomlási lehetősége mellett még leptonikusan is elbomolhat. Ekkor - a már fentebb részletezett okok miatt - a legkedvezőbb az, ha a tau-részecskébe bomlik. Ekkor a töltés megmarad, de ha a töltött Higgs csak egyetlenegy taura bomlana, akkor a leptonszám-megmaradás sérülne. Kell tehát valami, ami ellentétes előjelû leptonszámot hordoz, de ugyanakkor semleges. Szerencsére a természetben létezik egy részecske és ez a tau-neutrínó(nt). Tehát a töltött Higgs-bozon egy t-részecskére és annak antineutrínójára bomlik, azaz a várt bomlási kép: H+ ® t+ n-t,illetve H- ® t- n-t.
|
Hogyan keressünk Higgs-bozonokat?
Mint már utaltam rá, a világ nem ilyen egyszerû. Valóban igaz, hogy a Higgs főleg tauba és b-kvarkba bomlik, de van egy kis probléma: sem a tau, sem a b, sem a c és s nem stabil részecske. Elbomlanak, mielőtt még elérnék akár a legbelső detektorelemet. Mit lehet akkor tenni? A válasz az, hogy tovább kell menni, és a taunak, a b-nek, a c-nek, illetve az s-nek a bomlástermékeit kell figyelni, amelyek már elérik a detektort.
Figyelembe kell vennünk még azt is, hogy szabad kvarkok a természetben nem léteznek; a kvarkok a színkölcsönhatás különlegessége miatt „felöltöznek". Ez azért van így, mert a kvarkok közötti erős (szín-) kölcsönhatást közvetítő részecskék, a gluonok nemcsak a kvarkokkal hatnak kölcsön, hanem egymással is (ebben nagyon különböznek az elektromágneses kölcsönhatást közvetítő fotontól, amely magával nem hat kölcsön, csak az elektromos töltéssel). Ezért a két kvark között ható kölcsönhatást ábrázoló „gluon-erőtér"19 nem tölti ki a teljes teret úgy, ahogy az elektromágneses kölcsönhatásnál, hanem a két kvarkot összekötő „fonallá" húzódik össze. Az összehúzódást a gluonok közötti kölcsönhatás okozza. Ezzel ez a „gluonfonál" úgy kezd viselkedni, mintha rúgó volna: a két kvark között a vonzóerő annál nagyobb lesz, mennél jobban szét akarjuk őket húzni. A széthúzás során befektetett energia (ez a maguktól szétrepülő kvarkoknál a mozgási energia csökkenésével fedeződik) előbb-utóbb akkora lesz, hogy az már elegendő egy kvark-antikvark pár keltéséhez. Ez energetikailag jobban favorizált, mint a gluonfonál további „nyúlása". Ekkor a gluonfonál elszakad, és két kvarkpár jön létre. Ha a mozgási energia még mindig elég nagy, a folyamat egészen addig ismétlődik, amíg csak lehet, csak most már az „új" kvarkpárok „szakadnak szét". Ezt a folyamatot hívják a fizikusok fragmentációnak, aminek eredménye sok, közel egy irányba, az eredeti kvark mozgásának irányába repülő hadron lesz. Az így kialakuló rendszert hívjuk hadronzápornak20, mely azonosítása így nagyon fontos a kísérletezőnek. A kutató számára a másik lényeges dolog, hogy a semleges Higgs-bozonok bomlásánál a kvarkok közül a b-kvark van jelen. Ez a kvark ugyanis csak a nála könnyebb kvarkokba bomolhat, és azt csak gyenge-bomlássalteheti.
Így a b-kvarkot tartalmazó mezonok csak lassan (pikoszekundum körüli idő alatt) bomlanak el. Ez viszont elegendő arra, hogy a mezon egy-két milliméterrel a keletkezési helyétől (ami egybeesik az elektron-pozitron megsemmisülés helyével) eltávolodjon21. Ha az eseményekben megjelenő egyedi részecskepályákat az arra alkalmas számítógépes programmal láthatóvá tesszük, a képen úgy látszik, hogy a bkvarkot tartalmazó hadronzáport alkotó részecskék között lesz olyan, ami nem az elektron-pozitron megsemmisülés helyéből ered, hanem ebből a pontból. Ez a pont pedig a mai érzékeny helyzetmérő detektorokkal kimérhető. Az eljárást bcímkézésnek nevezik.
Beszéljünk még a Higgs-analízis eszközei között a taurészecske azonosításáról is. Mint az előbbiekben utaltam rá, a tau-részecske sem stabil. Sajnos gyors bomlása miatt a detektorban nem hagy nyomot. Azonosítása csak a bomlásában keletkezett részecskékkel lehetséges. A tau bomolhat a másik két leptonra, elektronra és müonra, de elbomolhat két vagy három pionra22 is. A tau leptonikus bomlásaiban meg kell jelennie egy tauneutrínónak, és attól függően, hogy elektronba, vagy müonba bomlik a tau, egy elektron-, vagy egy müon-antineutrínónak is. Szemléletesen leírva: t- ®e- nt n- e, vagy t-® m- nt n- m 23.
Mint már említettem, a neutrínók, és velük a „rájuk ragadt" energia és impulzus megszöknek a detektorból. Hiányukra az elektron-pozitron ütközés után megfigyelt részecskék összimpulzusából és a megfigyelt energiából lehet következtetni. Pontosabban abból, hogy sem az összimpulzus, sem az összenergia nem egyezik meg az ütközés előtti elektron és pozitron összenergiájával és összimpulzusával. A t-bomlásból származó müonok és elektronok megfigyelése már nem okoz gondot: a müonok impulzusa könnyen mérhető a detektorok legkülső részén elhelyezett müonkamrákkal, az elektronok impulzusa és energiája pedig általában a detektorban legbelül elhelyezkedő részecskepálya-mérő aldetektorral történik. A tau hadronikus bomlásánál kilépő pionok észlelését úgy oldjuk meg, hogy olyan hadronzáporokat keresünk, ahol rendkívül kevés részecske mozog együtt a hadronzáporban (maximálisan két, három részecskéről lehet szó).
| 4. ábra. Négy hadronzáporos esemény az egyik LEP-detektorban az elektron- és pozitronnyaláb irányából (jobbra lent), illetve erre merőleges irányból (jobbra fent) nézve. Az ábrán bal oldalon kinagyítva látható az elektron-pozitron ütközés közvetlen környezete. A négy hadronzápor mellett világosan láthatók a b-kvarkot tartalmazó mezonok másodlagos vertexei (fehér részecskepályák, illetve azok keletkezési helyei). | |
|
| Az analízis eszközei közé tartozik mindenképpen két olyan, ma már minden hadronikus folyamatokat vizsgáló kísérleti részecskefizikus programjaiban fellelhető algoritmus, amely a hadronzáporokat keresi. Az eseményeket megjelenítve (4. ábra) még a laikus szemlélő számára is szinte minden esetben azonnal nyílvánvaló, hogy mely objektumok a hadronzáporok. A kiértékelést végző számítógépes algoritmus számára azonban ezt valamilyen módon el kell „mesélni". Ezek az eljárások éppen ezt teszik. Az egy hadronzáporhoz tartozó részecskéket az egyedi impulzusuk alapján válogatják össze. A válogatáshoz például előre meg lehet adni és megkeresni a kívánt hadronzáporok számát. Ha azonban a hadronzáporok számára vagyunk kíváncsiak, egy másik paramétert rögzítve akár azt is megkaphatjuk. Ezen programok mindkét üzemmódját használni szoktuk az analízisekben.
Nagy vonalakban ezek azok a módszerek, amelyeket egy Higgsre vadászó részecskefizikus használ. A fizikusok és eredményeik között a módszerek kombinálása és az adott detektor mérési pontosságai tesznek különbséget.
Persze, ha most azt hisszük, hogy hátradőlhetünk a karosszékünkben, mert a Higgs-keresés minden eszköze a rendelkezésünkre áll, tévedünk. Nem ejtettünk ugyanis szót még a részecskefizikus életét megkeserítő háttérfolyamatokról.
A részecskefizikai események sajnos akkor is nagyon hasonlítanak egymásra, ha nem ugyanaz a folyamat áll a hátterükben. A töltött Higgs-bozon keresésekor például, ha annak tisztán hadronikus, azaz H+H- ® c s-c- s ® (négy hadronzápor) bomlását keressük, Higgs-ünket könnyen összetéveszthetjük azzal a négy-hadronzáporos végállapottal, ami az e+e- ® Z* ®W+W- ® c s-c- s ® (négy hadronzápor) folyamatból származik.
Mi több, az egyedi események szintjén nem is tudjuk eldönteni, hogy az adott folyamat Higgs-bozonok megjelenésére utal-e vagy sem. Mivel nagyon ritka folyamatokat keresünk, és mivel a háttérfolyamatok olykor nem is olyan ritkák, kénytelenek vagyunk a Higgs és a háttér egyéb jellemzőit is összehasonlítani. Ha találunk olyat, ami különbözik, megadhatjuk feltételnek, hogy analízisünk elfogadja a Higgshez közelebbi eseményeket. Ilyen feltétel lehet a rekonstruált Higgs mozgási iránya a térben. Ugyanis, mivel a Higgs spinje eltér a W-bozonétól, azt várjuk, hogy felrajzolva a rekonstruált irányokat, azok térbeli eloszlása más lesz a két részecskénél. Természetesen ezek a feltételek is csak statisztikusan igazak, és minden ilyen feltétel kiszabásánál számolnunk kell azzal, hogy nemcsak a háttérből vágunk ki eseményeket, hanem az értékes Higgs-eseményekből is. Feladatunk mindezek ellenére az, hogy a feltételeinket olyan trükkösen szabjuk meg, hogy a végén a lehető legtöbb Higgs-bozont megtartsuk, de ugyanakkor a lehető legtöbb hátteret is eldobjuk.
Természetesen a tisztelt olvasó felteheti a kérdést: honnan tudjuk, hogyan szabjuk ki a feltételeket, ha nem tudjuk, hogy az adott esemény honnan származik. A kérdés jogos. Ennek megoldására használjuk az úgynevezett szimulációt.
A szimuláció olyan számítógépes programokat takar, amelyek a részecskefizikai elméletek szerint hoznak létre folyamatokat. Mi több, ezen programok által létrehozott tisztán fizikai eseményeket át lehet adni egy másik programnak, ami „ismeri" a teljes detektor mûködését. Ez azt jelenti, a program azt szimulálja, hogy az adott részecskék áthaladásakor a detektor milyen jelet adna. Végeredményben a valós elektron -pozitron ütköztetés közben egy másik kísérlet is zajlik, csak ez nem a valóságos világban, hanem az általunk megalkotott virtuális világban, a számítógépben! Az eredmény itt is, ott is nagyszámú események halmaza, csak éppen a szimulációban tudjuk, hogy az egyedi események honnan származtak. A szimulációra alapozva már felállíthatjuk feltételrendszerünket, és megjósolhatjuk, ha van Higgs, akkor annak hogyan kell megjelennie a maradék háttér fölött. Ezt a feltételrendszert az igazi mért adatokra alkalmazva pedig el tudjuk dönteni, van-e Higgs ott, ahol kerestük. Az ismert folyamatok valós és szimulált eredményeinek összevetésével azt is eldönthetjük, hogy az elmélet, amelyet a szimulációnkhoz használunk, helytálló-e. Ha ugyanis a mért adat nem illeszkedik a szimulációra ott, ahol nem várunk eltérést, vagy baj van az elméletünkkel, vagy nem ismerjük eléggé detektorunk viselkedését.
|
Eredmények a Higgs-keresésben - távlatok
A CERN LEP gyorsítóján négy kísérletet folytatnak egyszerre. Talán a nevüket sem árt leírni: ALEPH, DELPHI, L3 és OPAL. Az egyes kísérleteknél a kutatók úgy dolgoznak azonos témákon, de eltérő, saját analízisükkel, hogy eredményeik összevethetők és egymással kombinálhatók legyenek. ALEP legújabb eredményei szerint Higgs-bozonokat sajnos még mindig nem látunk, így csak azok minimális tömegét tudjuk megadni24. Ezek a Standard Modell által jósolt Higgs-bozonra: mH>114,9 GeV, a Minimális Szuperszimmetrikus Standard Modellben létező Higgs-bozonok esetén pedig: mh>89,5 GeV és mA>90,2 GeV. A két-dublettre kiterjesztett Standard Modellekben a töltött Higgs-bozonokra az alsó tömegkorlát pedig: mH±>78,7 GeV.
A LEP az idén befejezi tizenkét évig tartó mûködését. Ez idő alatt, az elmondottakat is beleértve, számos nagyon szép eredményt adott az emberiség számára, amelyek lehet, hogy egy napon majd hasznosíthatók lesznek. De ha mégsem lenne kézzel fogható hasznuk, az emberiség egyetemes kultúrájában fontos helyet kapnak a minket körülvevő világról szóló ismereteink között.
Ne feledjük, a Higgs keresését folytatják a világ más gyorsítóinál, így a Fermilab-ban a TEVATRON-nál vagy éppen a CERN-ben, a LEP helyén 2005-ben felépülő Nagy Hadronütköztetőben( Large Hadron Collider).
Zárszóként meg kell még említenünk, hogy hazánk szerepe a Higgs-kutatásban fontos. Kutatóink tevékenyen résztvesznek a LEP két kísérletében, a leírt eredmények létrehozásában. Munkájukból számtalan szakcikk, több szép doktori disszertáció25és egyetemi diplomamunka született.
Lapzártával egy időben érkezett a hír, hogy a CERN-ben 2000. szeptember 5-én tartott, négy LEP-kísérlet összesített adatait ismertető előadáson bejelentették, hogy a Standard Modell Higgs-bozon keresése során eltérést találtak a „csak háttér" hipotézist feltételező analízis során. Az eredmények összhangban vannak az elmélettel, ha feltételezzük, hogy a mérések során Higgs-bozon is keletkezett. Azonban a jelenlegi eredmények a kimutathatóság határán vannak, felfedezésnek nem tekinthetők. Ezért a CERN illetékes bizottsága úgy döntött, hogy a LEP 2000 szeptemberének végére tervezett végleges leállítását egy hónappal elhalasztja. Az egy adott időben a kísérletek által gyûjtött adatok későbbi analízise eldöntheti, hogy a fenti analízisek a régóta várt Higgs-bozont mutatták, vagy az eredmények csak a statisztikus fluktuációnak köszönhetők.
|
|
|
1. Az adott folyamat bekövetkeztének valószínûségével arányos mennyiség. Mértékegysége a barn (1024 cm2). 2. A kozmikus sugárzásban előfordulnak olyan részecskék, amelyek energiája a mai gyorsítók által szolgáltatott energiákkal összemérhető, sőt azokat akár sok nagyságrenddel meg is haladhatja. A módszerről e különszám másik cikkében olvashatnak részletesen. Itt csak annyit, hogy a nagy gyorsítókkal az adott energiákon sokkal több részecske állítható elő. Ennek köszönhetően az adott folyamat többször is lejátszódik, így az nem csak „megy-nem megy" alapon vizsgálható, s ráadásul statisztikus megállapításokra is alkalmasak. 3. Megjegyzés: a szerző a cikk írása előtti hetekben csatlakozott egy olyan kísérlethez, amely dacára annak, hogy csak 2005-ben mér először, máris körülbelül ezerhatszáz résztvevőt foglalkoztat. 4. Egy folyamatban nem minden részecske figyelhető meg. Vagy azért, mert az adott részecske élettartama olyan rövid (ilyenek a W-, Z-bozonok, és ilyen a Higgs-bozon is!), hogy elbomlása előtt még a legbelső detektorelemeket sem éri el, vagy azért, mert a részecske (ilyen a neutrínó) csak nagyon gyengén hat kölcsön a detektor alkatrészeivel. 5. Feltételezzük, hogy a részecske töltését máshonnan ismerjük. 6. Ezek is felvillannak, ha részecske megy át rajtuk, de magukban nem használják őket kalorimétereknek. 7. Jelenleg nem tudjuk, hogy a neutrínón kívül van-e más ilyen tulajdonságú részecske. 8. Vannak azonban neutrínókísérletek, amelyek éppen a neutrínók mérésére készülnek, de ezek felépítése teljesen eltér az említett detektorokétól (lásd Manno István cikkét). 9. Lásd jelen számban Horváth Dezső cikkét. 10. A spontán szimmetriasértéssel - rendkívül tudományos neve ellenére - a mindennapi életben is találkozhatunk. Gondoljunk csak arra, ha két ujjunk közé fogunk egy rugalmas mûanyag fogpiszkálót a két végénél fogva (ekkor a fogpiszkáló a tengelyére nézve szimmetrikus), majd benyomjuk a két végénél, a fogpiszkáló valamelyik irányba kihajlik és ezzel vége a szimmetriának. 11. A bonyolultabb elméletek - mint például a szuperszimmetria - ugyan képesek a paraméterek függvényében pontos tömegeket jósolni, de a „paramétertér" mérete miatt a jósolt tömegek nagyon változóak és ez megnehezíti a kutatatást. 12. Lásd Cynolter Gábor és Pásztor Gabriella cikkét. 13. Amelyet más megmaradási törvények nem tiltanak. 14. Ha a részecske mozog, akkor az Einstein-féle speciális relativitáselmélet miatt a tömege csak nagyobb lehet, azaz egy részecske tömege akkor a legkisebb, ha áll. 15. Lásd Horváth Dezső cikkét. 16. Felülvonással jelöljük a kvarkok antirészecskéjét. Ugyanez áll a neutrínókra is. Az elektron, a müon és a tau esetén viszont ez nem szükséges, mert azokhoz felső indexbe ki szoktuk írni a töltést is, így az antirészecskéknél - töltésük előjelében különböznek - elég csak a felső indexet változtatni. Például az elektron (e-) antirészecskéjét, a pozitron e+-nak írjuk. 17. Lásd Horváth Dezső cikkét. 18. A töltött Higgs-bozon töltésétől függően. 19. Próbáljuk magunk elé képzelni a középiskolában tanult erővonalakat a két elektromosan töltött test között, amit a ricinusolajon úszó korpa mutatott meg. 20. A szakirodalomban az angol jet elnevezés használatos. 21. Ezt a helyet másodlagos vertexnek hívják. 22. Ezek u- és d-kvarkokat tartalmazó mezonok. 23. A töltéskonjugált bomlások szintén megengedettek itt is. 24. Ez az a tömeg, ami alatt szinte (95 százalékos valószínûséggel) biztosan nem létezhetnek. 25. A szerző az L3-kísérletnél folytatott töltött Higgs-bozon-keresésben elért eredményeiből éppen most írja doktori disszertációját, így saját dolgozatát természetesen nem sorolja az említett disszertációk közé. | | |
SZILLÁSI ZOLTÁN (1971) tanársegéd a Debreceni Egyetem Kísérleti Fizika Tanszékén. A KLTE fizikusi szakán végzett 1996-ban. Jelenleg PhD-disszertációját írja, melynek témája a töltött Higgs-bozonok keresése a CERN-i L3 kísérletben. A töltött Higgs-bozonok kutatása mellett részt vesz a CERN-ben 2005- ben elkészülő CMS-detektorba építendő müonkamrák optikai helyzetmeghatározó rendszerének fejlesztésében is. E-mail: Zoltan.Szillasi@cern.ch
|
AJÁNLOM AZ OLDALT
