A CERN Nagy Hadronütköztetőjénél (LHC) működő ATLAS- és CMS-kísérletek kapcsán a részecskefizikusok idén július 28. – augusztus 6. között megtartott 40. nemzetközi konferenciáján egy új, érdekes eredményt jelentettek be: egyértelmű jelét látják, hogy az elemi részecskék tömegéért felelős Higgs-bozon két müonra is tud bomlani. A müon az elektron nehezebb társa, egy elemi részecske, a Világegyetem anyagának egyik összetevője. Amíg az elektronokat az első részecskegenerációba soroljuk, addig a müon a második generációhoz tartozik. A fizikai folyamat, amelyben a Higgs-bozon müonokra bomlik, nagyon ritka: csupán minden ötezredik Higgs-bozon-bomlás eredményez müonokat. Ez az új eredmény az alapkutatásban döntő fontosságú, mivel elsőként mutatja meg, hogy a Higgs-bozon kölcsönhatásban van az elemi részecskék második generációjával, és így azok is tőle nyerik a tömegüket.

Esemény, ahol egy Higgs-boson keletkezik egy top-kvark párral együtt

A fizikusok 2012-es felfedezése óta tanulmányozzák az egyedülállóan különleges Higgs-bozon tulajdonságait a CERN-ben. A Higgs-bozon proton-proton ütközésekben keletkezik, majd szinte azonnal más részecskékre esik szét, amit bomlásnak nevezünk. A Higgs-bozon tanulmányozásának egyik fő módszere a különböző részecskékre való bomlás lehetőségeinek és gyakoriságának a vizsgálata.

A CMS-kísérlet a bomlásra jelentős (“3 szigmás”) bizonyítékot mutatott be. Ez azt jelenti, hogy annak az esélye, hogy a Higgs-bozon most megfigyelt, müonpárra történő bomlása csak statisztikus fluktuáció, kevesebb, mint 1 a 700-hoz. Az ATLAS “2 szigmás” eredménye gyengébb, a tévedés esélye ott 1 and 40-hez. A két eredmény kombinálása erős bizonyítékot szolgáltat a Higgs-bozon müonos bomlására.

A CMS detektor

„A CMS-együttműködésben büszkék vagyunk arra, hogy sikerült a Higgs-bozon müonos bomlását ilyen érzékenységgel megfigyelni, és bemutatni a folyamat első kísérleti bizonyítékát. Úgy tűnik, hogy a Higgs-bozon második generációs részecskékkel is kapcsolatba lép, a standard modell előrejelzésével összhangban. Az eredményt még tovább fogjuk finomítani azokkal az adatokkal, amelyeket a következő mérési időszakban fogunk begyűjteni” – mondja Roberto Carlin, a CMS-kísérlet vezetője.

A Higgs-bozon a hasonló elnevezésű mező kvantumos megjelenése, amely a vele kölcsönható elemi részecskéknek tömeget ad a Brout–Englert–Higgs-mechanizmus által. Azáltal, hogy megmérjük a Higgs-bozon különféle részecskékre történő bomlásait, a fizikusok ki tudják következtetni a mezővel való kölcsönhatásuk erősségét: minél nagyobb egy bomlás gyakorisága, annál erősebb a kölcsönhatás. Az ATLAS- és CMS-kísérletek eddig megfigyelték már a W- és Z-bozonokra, a nehezebb, harmadik generációs fermionokra (pl. tau-lepton) való bomlást. A kölcsönhatást a nehéz kvarkokkal (b-kvark és t-kvark) 2018-ban mérték meg. A müonok sokkal könnyebbek, emiatt a Higgs-mezővel való kapcsolatuk is gyengébb, így a Higgs-bozon és a müonok közötti kölcsönhatás nyomait csak most tudták felfedni az LHC-n.

A mérések során különösen nagy kihívást jelent, hogy az LHC-n minden egyes müonos Higgs-bozon-bomlásra több ezer olyan müonpár esik, amelyek más folyamatok révén keletkeztek, de nagyon hasonló jeleket hagynak a detektorokban. A keresett bomlást tartalmazó események jellemzője, hogy a müonpárok tömege 125 GeV körüli érték, amely a Higgs-bozon tömege. A mérés nem könnyű: mérni kell a müonok energiáját, lendületét és kirepülési szögüket. A kiértékelés érzékenységét többféle technikával javították, mint például a háttér kifinomult modellezése és a gépi tanulási algoritmusok alkalmazása. A CMS négy különálló elemzést kombinált, mindegyiküket a bomlás speciális jeleinek felismerésére optimalizálták.

Az eredmények, amelyek eddig összhangban vannak a standard modell jóslatával, az LHC által eddig szolgáltatott teljes adatmennyiség feldolgozásán alapulnak. A részecskegyorsító által a következő években és a nagy intenzitású “High Luminosity LHC” szakaszban rögzítendő adatok segítségével az ATLAS- és CMS-kísérletek a kétmüonos bomlás felfedezéshez megkövetelt (“5 szigma”) érzékenységet is elérik majd, és képesek lesznek a standard modellen túlmutató elméletek megszorítására is.

Magyarországon az ELKH-hoz tartozó MTA-ELTE Lendület CMS Részecske- és Magfizikai Kutatócsoport, az Eötvös Loránd Tudományegyetem, a Wigner Fizikai Kutatóközpont, a debreceni Atommagkutató Intézet, valamint a Debreceni Egyetem mintegy negyven kutatója és diákja vesz részt a CMS-együttműködés munkájában. A Wigner FK kutatói fontos szerepet játszottak a CMS belső szilícium nyomkövető detektorainak működtetésében és továbbfejlesztésében, míg a debreceni együttműködők a müonokat érzékelő külső detektorok helyzetmeghatározó rendszerén dolgoztak. Mindkét detektor nélkülözhetetlen a müonok felismerésében. Az MTA–ELTE csoport az eseményeket valós időben kiválogató triggerek hatékonyságának és az adatok pontos mennyiségét meghatározó luminozitásnak a mérésében vállalt szerepet.

CMS müon rendszer

Forrás: CERN, CMS kísérlet

További anyagok és információk:

CMS
Physics analysis summary: https://cds.cern.ch/record/2725423/files/HIG-19-006-pas.pdf
Physics briefing: https://cmsexperiment.web.cern.ch/news/cms-sees-evidence-higgs-boson-decaying-muons
Physics event displays: https://cds.cern.ch/record/2720665?ln=en
Physics plots: http://cds.cern.ch/record/2725728

ATLAS
ATLAS paper on arXiv: https://arxiv.org/abs/2007.07830
ATLAS Physics briefing: https://atlas.cern/updates/physics-briefing/new-search-rare-higgs-decays-muons
Event Display: https://cds.cern.ch/record/2725717?ln=en
Scientific Plots and Diagrams: https://atlas.web.cern.ch/Atlas/GROUPS/PHYSICS/PAPERS/HIGG-2019-14