Slavný Higgsův boson, spoluzodpovědný za existenci mas elementárních částic, může také interagovat se světem „nové fyziky“, hledaným po desetiletí, předpovídají vědci. Pokud by tomu tak bylo, tento boson by se měl rozpadnout charakteristickým způsobem, zahrnujícím exotické částice. Ústav jaderné fyziky Polské akademie věd ukázal, že pokud k takovým rozpadům skutečně dojde, lze je pozorovat u aktuálně navržených nástupců urychlovače LHC.
Ve fyzice vysokých energií existuje pojem „skryté údolí“. Tento termín se používá k popisu množiny modelů rozšiřujících množinu již známých elementárních částic. V těchto modelech částice našeho světa, popsané Standardním modelem, patří do nízkoenergetické skupiny a exotické částice do vysokoenergetické.
Exotické částice Hidden Valley
Teoretické úvahy ukazují, že slavný Higgsův boson by se mohl rozpadnout za účasti exotických částic, ale zatím se ho přes mnohaleté hledání nepodařilo v urychlovači LHC pozorovat.
Vědci z IFJ PAN se však domnívají, že Higgsovy rozpady na exotické částice Hidden Valley budou dokonale viditelné v urychlovačích, které se stanou nástupci Velkého hadronového urychlovače. Samozřejmě za předpokladu, že se uvažované modely ukáží jako v souladu s realitou. Své závěry popsali v článku publikovaném v Journal of High Energy Physics . Prezentují nejnovější analýzy a simulace možnosti detekce Higgsových rozpadů v plánovaných elektronových a pozitronových urychlovačích.
„V modelech Hidden Valley máme dvě skupiny částic oddělené energetickou bariérou,“ vysvětluje Prof. Marcin Kucharczyk, hlavní autor článku. – Teorie říká, že by pak mohly existovat exotické částice, které by za správných okolností byly schopny překonat tuto bariéru. Částice jako Higgsův boson nebo hypotetický boson ‚Z‘ by fungovaly jako komunikátory mezi částicemi obou světů. Higgsův boson, jedna z nejhmotnějších částic standardního modelu, je dobrým kandidátem na takový komunikátor, dodává.
Částice komunikátoru
Jak vysvětluje profesor, komunikátor by se po přechodu do nízkoenergetické oblasti rozpadl na dvě docela masivní exotické částice a každá z nich by se během pouhých pikosekund, tedy biliontin sekundy, rozpadla na další dvě částice s ještě menší hmotností. v rámci standardního modelu. Jaká znamení tedy očekávat v detektorech budoucích urychlovačů? Autoři článku vysvětlují, že samotný Higgsův boson by zůstal bez povšimnutí, stejně jako obě částice ze Skrytého údolí, ale rozpadlé exotické částice (obvykle na páry kvark-antikvark) by již byly v detektorech viditelné ve formě proudů částic pryč. od osy trámů.
– Pozorování rozpadů Higgsových bosonů by tedy spočívalo v hledání proudů částic z párů kvark-antikvark. Pak by bylo nutné sledovat jejich trajektorie pozpátku, aby se zjistilo, kde se exotické částice pravděpodobně rozpadly. Tato místa, odborně nazývaná vrcholy rozpadu, by se měla objevovat ve dvojicích a měla by být charakteristickým způsobem posunuta vůči ose srážejících se paprsků v urychlovači. Velikost těchto posunů závisí mimo jiné na hmotnostech a průměrné době života exotických částic objevujících se při rozpadu Higgse, říká spoluautor diskutované publikace Ing. Mateusz Goncerz.
Akcelerátory budoucnosti
V největším urychlovači světa, LHC, dosahuje energie srážek protonů několik teraelektronvoltů, což teoreticky stačí k vytvoření Higgsových bosonů schopných překonat energetickou bariéru oddělující náš svět od Skrytého údolí. Bohužel, jak vědci zdůrazňují, protony nejsou elementární částice, ale skládají se ze tří valenčních kvarků spojených silnými interakcemi, které jsou schopné generovat obrovské množství neustále se objevujících a mizejících virtuálních částic, včetně párů kvark-antikvark.
Taková dynamická a složitá vnitřní struktura způsobuje, že při srážkách protonů vzniká obrovské množství sekundárních částic, včetně mnoha kvarků a antikvarků o velkých hmotnostech. Vytvářejí pozadí, ve kterém je prakticky nemožné najít částice z hledaných rozpadů Higgsova bosonu na exotické částice Hidden Valley.
Detekci možných rozpadů Higgsových bosonů do takových stavů by měly radikálně zlepšit urychlovače budoucnosti, které jsou již nyní projektovány jako nástupci LHC. Budou to: CLIC (Compact Linear Collider) a kruhový FCC (Future Circular Collider). V obou zařízeních bude možné srážet elektrony s jejich antihmotovými partnery, tedy pozitrony. Elektrony a pozitrony nemají žádnou vnitřní strukturu, takže pozadí pro exotické rozpady Higgsových bosonů by zde mělo být slabší než v LHC. Otázkou je, bude to dost slabé?
„Nová fyzika“ na obzoru
Fyzici z IFJ PAN ve své nejnovější studii vzali v úvahu nejdůležitější parametry navržených urychlovačů CLIC a FCC a určili pravděpodobnost, s jakou v r dojde k exotickým rozpadům Higgsových bosonů s konečnými stavy v podobě čtyř kvarků a beauty antikvark srážky elektron-pozitron. Aby předpovědi pokryly širší skupinu modelů, byly hmotnosti a průměrné doby života exotických částic uvažovány v dostatečně širokých rozmezích hodnot.
Závěry dopadly překvapivě – podle samotných autorů – kladně. „Vše nasvědčuje tomu, že v budoucích srážkách elektronů s pozitrony může být pozadí Higgsových rozpadů radikálně zredukováno, a to i o několik řádů, a v některých případech může být dokonce zanedbané“ – upozorňují.
Dodávají, že existence messengerových částic je možná nejen v modelech Hidden Valley, ale také v dalších rozšířeních Standardního modelu. Pokud tedy detektory budoucích urychlovačů zaregistrují signaturu odpovídající rozpadu Higgsových bosonů analyzovaných výzkumníky z Krakova, bude to jen první krok na cestě k objevu „nové fyziky“. Dalším krokem bude shromáždění dostatečně velkého počtu případů a stanovení hlavních parametrů rozpadu, které lze porovnat s predikcemi jednotlivých částicových modelů „nové fyziky“.
„Hlavní závěr naší práce je tedy čistě praktický,“ uzavírá prof. Kucharczyk. – Nejsme si jisti, zda částice „nové fyziky“ podílející se na rozpadu Higgsova bosonu budou patřit k modelu Hidden Valley, který používáme. Tento model jsme však považovali za zástupce mnoha dalších návrhů modelů „nové fyziky“ a ukázali jsme, že pokud se v souladu s jeho předpovědí Higgsovy bosony rozpadají na exotické částice, pak by tento jev měl být dokonale viditelný již v těchto elektronových a pozitronových urychlovačích. , jehož spuštění se plánuje v nejbližší době.