Conferinţa ICHEP 2010: Situaţia la zi a căutării bosonului Higgs

Am primit azi un articol interesant, de la Adrian Buzatu, doctorand în fizica particulelor elementare la McGill University, Canada. Estevorba de primele rezultate obtinute la LHC si comunicate la Conferinta ICHEP 2010 de la Paris:

Tocmai s-a încheiat la Paris cea mai mare conferinţă internaţională de anul acesta în domeniul fizicii particulelor elementare. Mai jos vă prezentăm la cald care este situaţia actuală în căutarea experimentală a bosonului Higgs, particula prezisă de teoria care explică de ce particulele elementare au masă, denumită incorect de către presă şi „particula lui Dumnezeu”, aşa cum prezintă cercetătorii de la acceleratorul Tevatron de la laboratorul Fermilab din SUA. Particula Higgs nu a fost descoperită încă, dar s-a arătat că masa sa nu poate avea valori într-un interval destul de măricel. Cu alte cuvinte, teritoriul unde se poate ascunde bosonul Higgs s-a mişcorat considerabil, iar căutările continuă.

Introducere despre Modelul Standard

Teoria actuală oficială care descrie Universul Mic poartă numele de Modelul Standard al Fizicii Particulelor (pe scurt, MS) şi nu trebuie confundată cu o altă teorie care descrie Universul Mare, denumită Modelul Standard al Cosmologiei. MS este cea mai precisă teorie construită vreodată de umanitate, adică face predicţii matematice concrete care sunt verificate experimental cu o precizie de la unu la mie până la unu la o mie de miliarde.

Modelul Standard descrie componentele fundamentale ale materiei (particule elementare) şi interacţiile elementare între ele pentru a crea diversitatea de materie vie şi nevie din jurul nostru. Călătorind de la celule biologice la molecule, de acolo la atomi, mai departe la nuclee şi electroni, iar în interiorul nucleelor la protoni şi neutroni, apoi în interiorul acestora din urmă la cuarci, descoperim că noi suntem creaţi din electroni şi cuarci ca şi particule fundamentale. Atunci când atomii de dezintegrează ei emit şi neutrini, iar la nivel fundamental de fapt un tip de cuarc se dezintegrează într-un alt tip de cuarc plus neutrini. Neutrinii sunt şi ei particule elementare.

In general particulele elementare sunt un fel de „ingrediente” ale Universului, iar interacţiile elementare sunt „reţeta” dupa care Universul este construit.

Există doar patru interacţii sau forţe elementare, iar restul forţelor din natură nu sunt decât efecte combinate ale acestora. De exemplu, forţele cunoscute nouă din viaţa de zi cu zi nu sunt decât aspecte la scară mare (macroscopic) ale unei forţe elementare la nivel mic (microscopic), anume forţa electromagnetică: forţa de frecare, forţa de tensiune superficială, forţa elastică, forţa de reacţiune normală, forţa magnetică. Forţa electromagnetică este cea care ţine atomii în molecule şi electronii şi nucleele în atomi. Pentru a înţelege ce ţine protonii şi neutronii în nuclee, trebuie să înţelegem că forţa electrică nu este suficientă. Electric, protonii s-ar respinge între ei, iar între neutroni şi neutroni, protoni şi neutroni, nu ar fi nici o forţă electrică. Nucleul ar trebui atunci să explodeze. Dar nu o face, pentru că mai există încă o forţă, mai tare decât forţa electrică, care face ca doi protoni să se atragă, deşi electric ei se resping. Această nouă forţă poartă numele de forţa nucleară tare. Conform ei, şi doi neutroni se atrag, iar un proton şi neutron la fel. De altfel, pentru această forţă, un proton şi neutron sunt una şi aceeaşi particulă şi pot fi denumite generic ca şi nucleoni. Iar pentru a înţelege cum se face că un anumit atom se dezintegrează prin radioactivitate, înţelegem că de fapt un neutron se descompune într-un proton, neutron şi un neutrino. Această interacţie poartă numele de interacţie nucleară slabă. Dar aceata nu este sfârşitul poveştii, căci protonii şi neutronii nu sunt nici ei particule elementare, ci particule compuse. Ei sunt formaţi la rândul lor din câte trei cuarci fiecare. Abia cuarcii sunt particule elementare. Iar când un neutron se dezintegrează, de fapt un cuarc al său se transformă într-un alt tip de cuarc, un electron şi un neutrino. Acesta este fenomenul cu adevărat elementar, dar pe care noi îl vedem ca şi transformarea unui element chimic în alt element chimic (de altfel, chiar visul alchimiştilor din Antichitate, iată, realizat acum de fizica subatomică). Fiindcă aceste forţe acţionează nu doar asupra nucleelor, ci şi asupra particulelor elementare, trebuie să tăiem cuvântul „nucleară” din numele lor. Cele trei forţe elementare, „reţete” ale Universului, descrise de MS, sunt aşadar forţa electromagnetică, forţa tare şi forţa slabă. De menţionat că mai există o altă forţa elementară, gravitaţia, care ţine materia împreună pentru a forma planeta nostră, ţine sistemul nostru solar împreună, face la fel cu galaxia şi în general face la fel cu Universul întreg. Gravitaţia este o forţa foarte slabă la nivel subatomic, încât acolo nu îşi face simţită prezenţa (cel puţin nu la energiile studiate cu acceleratoarele de particule din zilele noastre) şi aşadar nu este descrisă de Modelul Standard. Dar rămâne singura forţă care contează la scara Universului Mare.

MS este o teorie veche de cam patru decenii. Nici un experiment de până acum nu a contrazis în mod clar teoria. Invers, fiecare predicţie clară a teoriei a fost şi ea confirmată experimental. Mai puţin una: existenţa particulei Higgs.

Introducere despre particula Higgs

Particulele elementare care intermediază forţa electromagnetică sunt fotonii, sau particulele de lumină. Fiindcă ei au masă zero (riguros vorbind, masă de repaus zero) ei nu pot fi niciodată în repaus şi merg mereu cu viteza luminii. Dar electronii sunt particule care au masă (chiar dacă foarte foarte mică după standardele noastre, ea este diferită de zero). Aceasta permite electronilor să fie şi în repaus câteodată, sau să se mişte cu viteze relativ mici. Dacă electronii nu ar avea masă, atunci ei ar zbura prin Univers cu viteza luminii, ca şi fotonii. Dar atunci ei nu ar mai sta în jurul nucleelor, atomii nu s-ar putea forma, iar noi pur şi simplu nu am exista!

Ei bine, Modelul Standard, oricât de precis este ca şi teorie, prezice că toate particulele elementare au masă zero. Dar noi ştim că electronii şi alte particule elementare au masă diferită de zero. Pentru ca ele să poată obţine masă, Modelul Standard a fost „cârpit” cu un mecanism teoretic denumit mecanismul Higgs după fizicianul scoţian Peter Higgs care l-a construit acum 45 de ani. Acest mecanism prezice că întregul Univers, chiar şi în vid, este umplut de un câmp Higgs, care este ca un mediu vâscos prin care particulele elementare se deplasează mereu, chiar şi în vid. La o aceeaşi energie totală, cu cât o particulă interacţionează mai mult cu acest câmp Higgs, cu atât are o viteză mai mică, aşadar o inerţie mai mare şi deci o masă mai mare. Fotonii au atunci masă zero pentru că nu interacţionează deloc cu câmpul Higgs, iar faptul că au masă zero permite forţei electrice să se propage în întreg Universul.

Dar cum verificăm experimental dacă acestă teorie este adevarată? Trebuie atunci să verificăm experimental toate celelalte predicţii alte teoriei. Ori marea predicţie a mecanismului Higgs este că există o nouă particulă elementară, particula Higgs, care are toate proprietăţile vidului (sarcină electrică zero, spin zero şi aşa mai departe) şi o masă relativ mare, cam de peste o sută de ori masa unui proton.

Câteodată se spune că particula Higgs dă masă materiei, dar mai corect este spus că mecanismul Higgs dă masă materiei, inclusiv particulei Higgs. Fiindcă are spin zero, i se spune boson, iar deseori i se spune bosonul Higgs. În presa de limba engleză i se spune şi „The God Particle”, adică „particula zeu”. Povestea acestui nume este următoarea. Atunci când Leon Lederman, laureat al premiului Nobel şi director la laboratorul american Fermilb, a scris o carte de popularizare despre bosonul Higgs, editorul său a adăugat cărţii sale subtitlul „The God Particle” pentru a fi mai şocant şi a se vinde mai bine. Motivaţia era că era un fel de zeu al particulelor, ca cea mai tare dintre particule, căci dădea masă celorlalte particule. Presa din România a tradus greşit ca şi „Particula lui Dumnezeu”, iar aceasta a generat numeroase polemici nefondate pe tema: descoperirea acestei particule ar confirma sau infirma existenţa lui Dumnezeu? În realitate, ştiinţa în general studiază doar lumea materială şi nu poate şi nu îşi propune să spună nimic despre religie.

Cel mai recent rezultat al căutării bosonului Higgs

Acceleratorul Tevatron de la laboratorul american Fermilab, situat lângă Chicago, este singurul accelerator din lume în prezent care poate avea o şansă să răspundă la întrebarea dacă există sau nu bosonul Higgs, adică daca este corectă sau nu teoria mecanismului Higgs care explică masa materiei. Acceleratorul Large Hadron Collider de la Geneva va prelua ştafeta de la acceleratorul Tevatron, dar deşi acceleratorul LHC a pornit, mai trebuie câţiva ani până va fi gata să studieze bosonul Higgs cu precizie mai bună ca la Tevatron.

Aşadar, la conferinţa internaţională a fizicii particulelor (http://stiintaazi.ro/index.php?view=article&id=6132%3Aun-zvon-despre-bosonul-higgs-trezeste-interesul-pentru-conferinta-ichep-2010-ce-incepe-pe-22-iulie&option=com_content&Itemid=58) care a avut loc la Paris, în Franţa, săptămâna trecută, a fost anunţat ultimul rezultat de la Tevatron pentru căutarea bosonului Higgs, care poate fi rezumat în graficul de mai jos, pe care îl vom comenta pas cu pas.

http://2.bp.blogspot.com/_fqaF_pBXjbU/TE20hVnNQfI/AAAAAAAAAGU/10rAw0_rA2o/s1600/Higgs_ichep10limits.png

Am văzut că bosonul Higgs este caracterizat de un singur număr, anume masa sa. Dacă el există, masa sa are o singură valoare. Dar cum nu a fost încă descoperit, nu se ştie care este masa sa încă. Pe axa orizontală este marcat un interval de valori posibile pentru masa sa, dar nu în kg, ci într-o unitate de măsură specifică fizicii particulelor, anume într-o unitate de energie, giga electron-volţi (GeV) împărţită la viteza luminii la pătrat (conform formulei lui Einstein E=mc²). Masa unui proton sau neutron este de aproximativ 1 GeV/c²). Aceasta particula elementara, daca exista, are masa cat un atom greu intreg!

Benzile verticale colorate arată ce valori ale masei sunt excluse de cercetători, care micşorează tot mai mult intervalul de mase posibile pentru bosonul Higgs, până îl vor descoperi sau vor arăta sigur că nu există.

Valori mai mici de 114 unităţi au fost deja excluse prin căutări directe de către acceleratorul LEP (banda roz), care a funcţionat până în 2001 în tunelul de la CERN unde funcţionează acum succesorul său, acceleratorul LHC. Valori mai mari de 190 unitati au fost excluse indirect de măsurători precise ale maselor altor particule elementare, precum bosonul W şi cuarcul top, dar aceasta nu este marcat pe acest desen. In verde este prezentat cel mai recent rezultat de la acceleratorul Tevatron, care exclude o mare zonă a valorii masei şi îmbunătăţeşte considerabil precedenta regiune exclusă tot de Tevatron. Pentru prima dată, şi Tevatron exclude valori mai mici de 110 unităţi, dar şi intervalul 158-175 unităţi. Spre comparaţie, în noiembrie 2009, Tevatronul exclusese doar intervalul 160-162 unităţi. Căutările continuă, iar la următoarea conferinţă mare, in iarna lui 2011, un interval şi mai mare va fi exclus.

Dar cum se face această excludere? Observăm că pe axa verticală este reprezentat un raport între valoarea măsurată şi predicţia teoriei MS pentru probabilitatea ca bosonul Higgs să fie produs şi să se dezintegreze conform unei anume analize. Valoarea acceptată de adevăr este de 95%, adică există o şansă de 5% ca rezultatul afişat să nu fie corect. Predicţia teoriei este valoarea 1 (adică acord între măsurare şi teorie), anume acea linie orizontală. Cu linie punctată este estimarea (inainte de a face măsurătoarea) cu ce valori ar putea măsura experimentul. Se estimează o şansă de 67% ca rezultatul adevărat să fie în zona verde şi 95% să fie ori în zona galbenă ori în zona verde. Măsurătoarea reală de la Tevatron este linia groasă continuă curbată şi vedem că ea este în acord cu zona verde în care fusese prezisă că va fi. Aceasta înseamă că cercetătorii de la Tevatron îşi cunosc bine detectoarele CDF şi DZero şi pot estima  cât de precise sunt înainte de a face efectiv măsurătoarea. Ei bine, acolo unde linia măsurată este sub linia orizontală de 1, acel interval poate fi exclus. Căci înseamnă că ar fi trebuit să vadă bosonul Higgs, dar fiindcă ei sunt deja cu o precizie şi mai mare decât cea necesară acolo şi nu l-au văzut, înseamnă că el nu există la acea valoare a masei. Adică dacă există, are altă masă. Există totuşi şansă de 5% de a fi acolo şi de a nu îl fi văzut.

Autorul acestui articol face parte din colaborarea experimentului CDF de la Tevatron şi munca sa, alături de a altor aproximativ 200 de cercetători, a intrat în realizarea acestui grafic. Peste jumătate de an, graficul va fi înnoit cu mai multe date experimentale culese, dar şi cu analize îmbunătăţite ale datelor. Şi un interval mai mare de mase posibile ale bosonului Higgs va fi exclus, sau poate chiar vor apărea indicii că există. Dacă nu, în câţiva ani acceleratorul LHC va prelua ştafeta şi sigur va descoperi bosonul Higgs sau va arăta că nu există şi va pune capat acestei intrebări vechi de 45 de ani, dar fundamentală pentru înţelegerea Universului nostru.

Referinte:

Acest rezultat pe blogul oficial al conferintei ICHEP. http://ichep2010.blogspot.com/2010/07/higgs-still-at-large.html

Pagina pentru public despre bosonul Higgs la CDF la Tevatron

http://www-cdf.fnal.gov/physics/new/hdg/hdg.html

Intrebari frecvente despre bosonul Higgs

http://fizicaparticulelor.ro/index.php?option=com_content&task=view&id=82&Itemid=48

Adrian Buzatu este doctorand în fizica particulelor elementare la Universitatea McGill, Montreal, Canada, membru al colaborării CDF de la acceleratorul Tevatron de la Fermilab, unde caută bosonul Higgs într-o echipă numeroasă. Este fondatorul şi coordonatorul portalului românesc de promovare a ştiinţei, www.StiintaAzi.ro şi îl puteţi contacta la adi@stiintaazi.ro.