15 august 2022

Bozonul Higgs, zece ani de la descoperirea sa

Distribuie pe rețelele tale sociale:

Descoperirea epocală a bozonului Higgs care a avut loc exact în urmă cu zece ani la acceleratorul Large Hadron Collider şi progresele înregistrare de atunci în determinarea proprietăţilor acestuia, au permis fizicienilor să înainteze cu paşi uriaşi în înţelegerea universului.

Autor: Ana Lopes

ECO editare/semnare: Ana Godinho şi Anais Rassat
Aprobări primite: Comitetul ştiinţific consultativ (Michelangelo Mangano, Michael Doser şi Gianluigi Arduini), Joachim Mnich, purtătorii de cuvânt ai ATLAS şi CMS

În urmă cu zece ani, pe 4 iulie 2012, colaborările ATLAS şi CMS de la Large Hadron Collider (LHC) au anunţat descoperirea unei noi particule cu caracteristici compatibile cu cele ale bozonului Higgs prezise de Modelul Standard al fizicii particulelor.

Descoperirea a fost un reper major în istoria ştiinţei şi a captat atenţia lumii. Un an mai târziu, Francois Englert şi Peter Higgs au câştigat Premiul Nobel pentru Fizică pentru predicţia făcută împreună cu regretatul Robert Brout cu zeci de ani mai devreme (1964), privind existenţa unui nou câmp fundamental, cunoscut acum sub numele de câmpul Higgs, care este răspândit în întregul univers, se manifestă sub forma bozonului Higgs şi dă masă particulelor elementare.

„Descoperirea bozonului Higgs a fost o monumentală piatră de hotar în fizica particulelor. A marcat atât sfârşitul unei lungi perioade de explorare de câteva decenii cât şi începutul unei noi ere dedicate studierii acestei particule foarte speciale”, spune Fabiola Gianotti, directorul general al CERN şi liderul de proiect („purtătorul de cuvânt”) al experimentului ATLAS la momentul descoperirii. „Îmi amintesc cu emoţie ziua anunţului, o zi de bucurie imensă pentru întreaga comunitate internaţională a fizicii particulelor şi pentru toţi oamenii care au lucrat neobosit de-a lungul deceniilor pentru a face posibilă această descoperire.”

În doar zece ani, fizicienii au făcut paşi uriaşi înainte în înţelegerea universului: confirmarea foarte rapidă că particula descoperită în 2012 este într-adevăr bozonul
Higgs a permis cercetătorilor să înceapă să elaboreze o explicaţie a modului în care prezenţa pretutindeni în univers a câmpul Higgs a fost stabilită la o zecime de miliardime de secundă după Big Bang.

Prima călătorie

Noua particulă descoperită de colaborările internaţionale ATLAS şi CMS în 2012 semăna foarte mult cu bozonul Higgs prezis de Modelul Standard. Dar era acesta de fapt acea particulă mult căutată? De îndată ce descoperirea a fost făcută, ATLAS şi CMS şi-au propus să investigheze în detaliu dacă proprietăţile particulei pe care o descoperiseră se potriveau cu adevărat cu cele prezise de Modelul Standard. Folosind datele de la dezintegrarea noii particule în doi fotoni, purtătorii forţei electromagnetice, experimentele au demonstrat că noua particulă nu are moment unghiular intrinsec sau spin cuantic – exact ca bozonul Higgs prezis de Modelul Standard. În schimb, toate celelalte particule elementare cunoscute au spin: particulele care constituie materia, cum ar fi cuarcii u şi d care formează protonii şi neutronii, şi particulele care mijlocesc interacţiile, cum ar fi bozonii W şi Z.

Observând bozonii Higgs produşi prin fuziunea bozonilor vectoriali şi dezintegrarea lor în perechi de bozoni W sau Z, ATLAS şi CMS au confirmat că aceştia îşi dobândesc masa prin interacţiunile lor cu câmpul Higgs, aşa cum este prezis de Modelul Standard.

Tăria acestor interacţiuni explică raza scurtă a forţei slabe, forţă care dă naştere unei forme de radioactivitate şi care iniţiază reacţia de fuziune nucleară, sursa de energie din Soare.

Experimentele au demonstrat că şi cuarcul t, cuarcul b şi leptonul – aceştia fiind cei mai grei fermioni – îşi obţin masa din interacţiunile lor cu câmpul Higgs, din nou aşa cum este prezis de Modelul Standard. Acest lucru s-a dovedit experimental observând, în cazul cuarcului t, producerea bozonul Higgs împreună cu o pereche de cuarci t, iar în cazul cuarcului b şi a leptonului, dezintegrarea bozonului Higgs în perechi de quarci b şi, respectiv, de leptoni. Aceste observaţii au confirmat existenţa cuplajului dintre bozonul Higgs şi câmpurile asociate leptonilor sau cuarcilor fără masă, numit cuplaj Yukawa (sau interacţie Yukawa); acest cuplaj face parte din Modelul Standard şi este diferit de celelalte cuplaje ale Modelului Standard deoarece este mediat de bozonul Higgs, iar tăria sa nu este cuantificată, adică nu conţine multipli ai unei anumite unităţi elementare.

Măsurătorile ATLAS şi CMS au stabilit că masa bozonului Higgs este 125.10 de miliarde de electronvolţi (GeV), cu o impresionantă precizie de ą0.14 GeV. Masa
bozonului Higgs este o constantă fundamentală a naturii a cărei valoare nu este prezisă de Modelul Standard. Mai mult, împreună cu masa celei mai grele particule elementare cunoscute, cuarcul t, şi alţi parametri, masa bozonului Higgs poate determina stabilitatea vidului cosmic.

Acestea sunt doar câteva dintre rezultatele concrete după zece ani de explorare a bozonului Higgs la cel mai mare şi cel mai puternic accelerator din lume – singurul loc din lume unde această particulă unică poate fi produsă şi studiată în detaliu.

„Eşantioanele mari de date furnizate de LHC, performanţa excepţională a detectorilor ATLAS şi CMS şi noile metode de analiză a datelor au permis ambelor colaborări să extindă capacitatea de măsurare a proprietăţilor bozonului Higgs dincolo de ceea ce se credea posibil atunci când au fost concepute experimentele”, spune Andreas Hoecker, purtătorul de cuvânt al experimentului ATLAS.

În plus, de când LHC a început să ciocnească protoni la energii record în 2010 şi datorită sensibilităţii şi preciziei fără precedent a celor patru experimente principale, colaborările LHC au descoperit peste 60 de particule cu structură internă (compozite) prezise de Modelul Standard, unele dintre acestea fiind exotice deoarece sunt formate din 4 cuarci (tetracuarci) şi din 5 cuarci (pentacuarci).

De asemenea, experimentele au dezvăluit o serie de indicii interesante privind posibile abateri de la predicţiile Modelului Standard care necesită investigaţii suplimentare şi au studiat în detalii fără precedent plasma cuarc-gluonică, plasmă care a umplut universul în primele momente ale existenţei sale. Au fost observate şi multe procese cu particule rare, s-au efectuat măsurători din ce în ce mai precise ale fenomenelor Modelului Standard şi au fost deschise noi teritorii în căutarea unor noi particule care nu sunt prezise de Modelul Standard, inclusiv cele care pot alcătui materia întunecată, materie care reprezintă cea mai mare parte a masei universului.