A Higgs-bozon és a b-kvark közvetlen kölcsönhatása

2018.08.29.
A Higgs-bozon és a b-kvark közvetlen kölcsönhatása
A CERN CMS kísérletének új eredménye fontos mérföldkő a Higgs-bozon vizsgálatában, különösen a bozon és a részecskefizika standard modellje szerint az anyagot felépítő elemi részecskék kölcsönhatásának tulajdonságai tekintetében. A kutatók eredményei a Physical Review Letters vezető nemzetközi folyóiratban jelentek meg. Magyarországról az MTA–ELTE Lendület CMS Részecske- és Magfizikai Kutatócsoport, az Eötvös Loránd Tudományegyetem, az MTA Wigner Fizikai Kutatóközpont, a debreceni MTA Atommagkutató Intézet, valamint a Debreceni Egyetem mintegy negyven kutatója és diákja vesz részt a CMS együttműködés munkájában.

A CERN Nagy Hadronütköztetőjének (LHC) két kísérlete, az ATLAS és a CMS 2012. július 4-én egymástól függetlenül jelentették be a Higgs-bozon felfedezését. A bejelentés akkor világszerte a főcímekbe került, hiszen megerősítette a standard modell utolsó hiányzó elemi részecskéjének létezését, fél évszázaddal azután, hogy a Higgs-bozont elméletileg megjósolták. A felfedezés egy kísérleti program kezdetét is jelezte, amelynek célja az új bozon tulajdonságainak meghatározása. A CERN-ben nemrégiben tartott szemináriumon bejelentett eredmények jól illeszkednek a korábbi bejelentések sorába: a CMS együttműködés kutatói a közelmúltban figyelték meg a Higgs-bozon és a t-kvark – a legnehezebb részecske – csatolódását is.

Világunk látható anyagát javarészt protonokba és neutronokba zárt könnyű kvarkok és a körülöttük keringő elektronok alkotják. A standard modellben a Higgs-bozon csatolódhat az anyag építőköveihez, a kvarkokhoz és a leptonokhoz, a részecske tömegével arányos csatolási erősséggel. A b-kvark a legnehezebb olyan részecske, amely könnyebb, mint a Higgs-bozon tömegének fele. Így a bozon közvetlenül egy b-kvarkra és egy b-antikvarkra is bomolhat. Az ilyen bomlások gyakorisága összefügg a csatolási erősség – és ezen keresztül a b-kvark tömegének – négyzetével: a csatolás ezért elég nagy ahhoz, hogy a bomlás közvetlenül megfigyelhető legyen. A CMS együttműködés mellett az ATLAS kísérlet is hasonló eredményre jutott.

A Higgs-bozon leggyakrabban b-kvarkokra bomlik, vagyis egy b-kvark és egy b-antikvark együttesen keletkezik a nehéz – mintegy 130 protontömegnyi – Higgs-bozonból. Ennek megfigyelése mégis komoly kísérleti kihívást jelentett, mivel nagyon sok más (háttér-) folyamat létezik, amely utánozhatja a keresett ütközési végállapotot. Olyan különleges folyamatokra kellett összpontosítani, ahol a Higgs-bozon egy W- vagy Z-bozonnal együtt keletkezik, így a hátteret jelentősen le lehetett csökkenteni. Sajnos a fenti folyamat meglehetősen ritka, ezért igen nagyszámú ütközési eseményt kellett átvizsgálni, hogy megtalálják a keresett jelet, de szerencsére az LHC 2016-os és 2017-es kiemelkedő teljesítménye ezt lehetővé tette.

„A CMS kutatóinak leleményessége, a korszerű és kifinomult kiértékelési eszközök – mint a gépi tanulás –, a detektorrendszer kiváló teljesítménye és a hatalmas rendelkezésre álló adatkészlet mind hozzájárultak ahhoz, hogy a várakozásoknál korábban elértük ezt az eredményt” – mondja Veszprémi Viktor, a Wigner FK CMS csoportjának helyettes vezetője.

„A Wigner FK kutatói fontos szerepet játszottak a CMS szilícium nyomkövető detektorainak működtetésében és továbbfejlesztésében, ami a b-kvarkokból származó hadronok záporainak felismeréséhez nélkülözhetetlen. Az MTA–ELTE csoport részt vett a feldolgozott adatmennyiség nagyságának pontos meghatározásában és felelős volt az eseményeket valós időben kiválogató elektron triggerekért, amelyek ez esetben a Higgs-bozonnal együtt keletkező W- és Z-bozonok bomlásából kirepülő elektronok jelenlétét vizsgálták. A debreceni együttműködők a szintén W- és Z-bozonokból származó müonokat érzékelő detektorok helyzetmeghatározó-rendszerén dolgoztak, amely lehetővé teszi a müonok impulzusának pontos mérését” – teszi hozzá Pásztor Gabriella, az MTA–ELTE Lendület CMS Részecske- és Magfizikai Kutatócsoport vezetője.

A Higgs-bozon és a b-kvark csatolásának megmérésével – továbbá a t-kvarkkal és tau-leptonnal való közvetlen kölcsönhatása megfigyelésével – a CMS kísérlet ismét fontos lépést tett az új bozon tulajdonságainak megismerése felé. A kapott csatolási erősségek összhangban vannak az elméleti várakozásokkal, de a mérés jelenlegi pontossága még mindig hagy teret az eddigi ismereteinken túlmutató, új fizikának is. A következő években gyűjtendő sok-sok adat feldolgozásával a pontosság javulni fog, így a Higgs-bozon felfedheti a nagyenergiás fizika még rejtőzködő titkait.

A CMS kísérlet által megfigyelt és rekonstruált proton-proton ütközési esemény során nagy valószínűséggel a Higgs-bozon együtt keletkezett egy Z-bozonnal, majd elbomlott egy b-kvarkra és egy b-antikvarkra. A detektorrendszer a nagy tömegű, rövid élettartamú részecskéket bomlástermékeiken keresztül azonosította.