Higgs boson - date experimentale

Despre bosonul Higgs, alias „particula lui Dumnezeu”, interpretată de alţii ca şi o componenta lui „Doamne – Doamne”, s-au tot scris şi publicat prin media, diverse articole din care reieşea că respectivul boson crează masă particulelor.
Nimic mai fals: interacţia cu câmpul Higgs, dă naştere masei particulelor, iar această interacţie are loc prin intermediul acelei particule, respectiv bosonul Higgs.

Multe articole de popularizare au fost deja scrise de către colegul nostru, PhD Adrian Buzatu şi pot fi accesate pe site-ul său.

În schimb, teoria ce stă la baza existenţei acelei particule este veche de aproximativ 50 de ani, dar particula în sine nu a putut fi pusă în evidenţă decât anul trecut, datorită tehnologiei necesare.
Ei bine, tocmai despre asta aş dori să vorbim în acest subiect şi anume despre experimentele ce au avut loc în acceleratoarele de particule, care au condus la identificarea bosonului Higgs.

Ok, am reusit sa accesez situl de pe tor browser, am citit din articolele care au aparut in presa romana si am mai consultat pagina de wikipedia dedicata bosonului.

Datele s-ar putea sa fie altele intre timp, dar ideea e urmatoarea: graficul rapoartelor de ramificatie ca functie de masa prezentat pe wiki are o rezolutie cam mica, dar daca disting corect legenda, se pare ca la o masa de 125-126 GeVi, dezintegrarea dominanta este in perechi bb. Intr-un tabel de mai jos scrie γ γ, WW and ZZ observed; bb, τ τ not yet confirmed. Cum se traduce asta, dezintegrari bb inca nu au fost observate sau nu exista rezultate pentru raportul de ramificatie respectiv?

Mai am o intrebare de natura ceva mai teoretica, anume: existenta campului Higgs schimba problema masei particulelor elementare in felul urmator(?): practic, daca existenta campului Higgs este confirmata, atunci intrebarea "de ce are electronul masa de repaus observata?", se schimba in "de ce are constanta de cuplaj dintre campul electronic si campul Higgs valoarea ce conduce la masa de rapus observata pentru electron?"?

Era mai bine dacă dădeai şi linkul; l-am găsit eu: 
http://en.wikipedia.org/wiki/Higgs_boson#Confirmation_of_new_particle_as_a_Higgs_boson.2C_and_current_status  (rândul 3 coloana 3 din tabel).

Kenose a scris:Ok, am reusit sa accesez situl de pe tor browser, am citit din articolele care au aparut in presa romana si am mai consultat pagina de wikipedia dedicata bosonului.

Datele s-ar putea sa fie altele intre timp, dar ideea e urmatoarea: graficul rapoartelor de ramificatie ca functie de masa prezentat pe wiki are o rezolutie cam mica, dar daca disting corect legenda, se pare ca la o masa de 125-126 GeVi, dezintegrarea dominanta este in perechi bb. Intr-un tabel de mai jos scrie γ γ, WW and ZZ observed; bb, τ τ not yet confirmed. Cum se traduce asta, dezintegrari bb inca nu au fost observate sau nu exista rezultate pentru raportul de ramificatie respectiv?

Kenose, apreciez ca ai citit articolele scrise de mine despre bosonul Higgs si ca ai revenit cu intrebari. Eu am lucrat la doctorat si lucrez si acum la postdoctorat pe cautarea bosonului Higgs cand se dezintegreaza intr-o pereche bbbar (bb). Pot sa confirm ca exista rezultate inca de acum 5 ani de la Fermilab (cand am terminat doctoratul, rezultatul echipei noastre era cel mai bun din lume in H->bb; e drept, depasit in jumatate de an de CERN). Doar ca procesul H->bb nu a fost inca observat. Pare contraintuitiv, ca procesul cel mai des intalnit (58% din dezintegari Higgs sunt H->bb la masa sa de 125 GeV) sa fie cel mai greu de observat. Aceasta pentru ca la fiecare H->bb exista un milioane de perechi bb produse in Modelul Standard, fara e fi un boson Higgs. Cu alte cuvinte, este un semnal mare, dar intr-un zgomot de fond (bruiaj, background) inca si mai mare.

Procesele H->gamma gamma, H->W+W- si H->Z0Z0 sunt mai rare, dar au background inca si mai mic, ceea ce a permis ca bosonul Higg sa fie observat in aceste canale.

Cautarile continua in H->bb si H->tau tau, pentru ca trebuie observate toate dezintegrarile, pentru a vedea ca bosonul Higgs se dezintegreaza si in fermioni (b, tau), nu doar in bosoni de interactie (gamma, W, Z).

Kenose a scris:Mai am o intrebare de natura ceva mai teoretica, anume: existenta campului Higgs schimba problema masei particulelor elementare in felul urmator(?): practic, daca existenta campului Higgs este confirmata, atunci intrebarea "de ce are electronul masa de repaus observata?", se schimba in "de ce are constanta de cuplaj dintre campul electronic si campul Higgs valoarea ce conduce la masa de rapus observata pentru electron?"?

Mecanismul Higgs explica cum particulele elementare primesc masa, dar nu explica de ce masa are o anume valoare. Noi masuram experimental masa particulelor. Stim astfel ca muonul, fratele mai masiv al electronului, are o masa de cam 200 de ori masa electronului. Din asta deducem ca muonul este franat de 200 de ori mai mult de campul Higgs decat electronul. Cu alte cuvinte, muonul se ciocneste de 200 de ori mai des cu bosonii Higgs care formeaza campul Higgs decat electronul. Dar de numarul 200 nu se stie.

Se spera ca pe viitor sa se vina cu o teorie care sa aiba Modelul Standard doar ca pe un caz particular, iar aceasta teorie sa explice masa particulelor din "first principles", adica din axiomele sale. Daca o teorie precum teoria corzilor ar explica de ce masa electronului are valoarea ce o are, ooh, ce revolutie in fizica elementara ar avea loc! Toata lumea ar crede deja foarte mult acea teorie, caci faci o predictie concreta, desi e drept o predictie asupra a ceva deja masurat. Dar ar fi un pas enorm inainte. Asadar teoreticienii nu trebuie sa fie descurajati ca nu vom putea testa niciodata experimental energiile de imediat dupa Big Bang necesare pentru a testa teoria corzilor. Ci ar trebui sa lucreze sa explice din axiome de baza masele particulelor.

Care sunt metodele de prelucrare a cantităţii uriaşe de date rezultate în urma coliziunilor?
De exemplu, pentru bosonul Higgs, ca să fim pe subiect. Am înţeles că şi teza ta de doctorat este despre o metodă de eficientizare a analizei datelor.

Este un subiect larg, dar sa incerc un raspuns pe scurt. Bosonul Higgs poate fi produs in multe moduri si se poate dezintegra in multe moduri. Sa luam pe cel la care am lucrat eu: bosonul Higgs produs impreuna cu un boson W, unde bosonul Higgs se dezintegreaza in doi cuarci bottom si bosonul W intr-un electron si un antineutrino electronic, sau intru-un muon si un antineutrion tauonic. Astfel, semnatura finala a evenimentului consta din doua jeturi de particule produse din cei doi cuarci, dintr-un electron/muon, un neutrino (ce apare ca energie lipsa, caci neutrinul iese din detector nedetectat).

Exista cam 20 de milioane de coliziuni pe secunda, dar numai vreo 300 sunt salvate pe disk la fiecare secunda. Acesta selectie poarta numele de "trigger", sau declansator. Majoritatea acestor evenimente sunt producere de cate doi cuarci, fapt inteles si neinteresant. Coliziunile care contin cate un electron, sau muon, sunt mai interesante. De aceea un trigger este cel care selecteaza evenimente care au un electron cu o energie de vreo 20 GeV plus orice altceva. Si tot asa un trigger pentru muoni.

Astfel, cand se analizeaza datele, din toate cele colecteaza, se aduna doar cele care au fost selectate cu triggerul de electroni sau muoni, caci ii avem pe acestia in semnatura noastra. Apoi asupra acestor date se pun diferite conditii. De exemplu, sa exista doi cuarci. Astfel, numarul de evenimente se reduce. Apoi sa fie si o energie lipsa de la neutrini. Cantitatea de date se reduce si mai mult.

Aceste conditii sunt puse pentru a elimina cat mai mult din evenimentele care par a fi bosonul Higgs, dar nu sunt bosonul Higgs (background, sau zgomot de fond). In datele reale, daca sunt cativa bosoni Higgs (adica signal, sau semnal).

Cum stim cat background sunt in datele noastre? Din simulari pe calculator ale teoriei actuale. Astfel, toate procesele posibile sunt produse, iar asta produce date poate de 10 ori mai numeroase decat datele propriu zise, care si asa sunt multe.

Asupra datelor reale si asupra datelor simulate se aplica mereu aceleasi criterii de selectie, iar scopul este de ca fiecare criteriu sa reduca mai mult predictia de background decat cea de signal, astfel incat raportul semnal supra zgomot de fond sa fie cat mai mare.

Munca noastra este asadar de a face astfel de selectii. Cu un cod care deja exista, deja un student la licenta poate face astfel de studii. De exemplu, daca cerem ca electronul sa aiba o energie mai mare decat 20 GeV, raportul s/b are o valoare. Dar daca cerem ca energia sa fie mai mare decat 30 GeV, raportul s/b are o alta valoare, intuitiv mai mare. Deci analiza e mai buna. Pe de alta parte, daca maresti la 100 GeV, valoarea e si mai buna, numai ca semnalul s e deja prea mic pentru ca rezultatul sa aiba semnificatie statistica. Care e valoarea optima a energiei minime cerete pentru electroni? Acesta e un exemplu de studiu simplu de optimizare a cautarii bosonului Higgs.

Sper ca ajuta un pic si sunt deschis la a raspunde la noi intrebari.

Va multumesc pentru deschiderea ce o aratati.
Ati putea preciza, pe scurt, (daca doriti) principalele premise pe care le-ati avut in vedere cand ati gandit experimentul?

crivoi dumitru a scris:Va multumesc pentru deschiderea ce o aratati.
Ati putea preciza, pe scurt, (daca doriti) principalele premise pe care le-ati avut in vedere cand ati gandit experimentul?

Exista cam 3000 de cercetatori in experimentul ATLAS. Cam in 1990 a inceput sa fie conceput, iar cam in 2002 a inceput sa fie construit. Principala premisa a fost sa fie suficient de precis pentru a raspunde o data pentru totodeauna la intrebarea daca exista sau nu bosonul Higgs. Adica detectorul trebuia sa fie suficient de precis si suficient de rapid pentru a putea colecta suficiente fotografii si pentru a le putea tria suficient de bine pentru a avea un numar de evenimente de tip semnal (bosonul Higgs) cat mai mare relativ la numarul de evenimente de tip zgomot de fond (care nu sunt bosonul Higgs). Aceasta a mers mana in mana cu acceleratorul de particule, care trebuia sa aiba energie suficient de mare (de 7 ori mai mare ca la acceleratorul precedent, Tevatron, din SUA) si sa aiba coliziuni cat mai dese (de 10 ori mai multe pe secunda decat Tevatron), pentru a da sansa se fie produse cat mai multe fotografii. Apoi pentru a tria aceste cat mai multe fotografii a fost nevoie de supercalculatoare si grid computing.

Care sunt parametrii de stare  principali care caracterizeaza bosonul Higgs.

crivoi dumitru a scris:Care sunt parametrii de stare  principali care caracterizeaza bosonul Higgs.

Teoria care a prezis existenta bosonului Higgs nu a prezis si masa sa. Asadar, singurul parametru liber in teorie era valoarea masei sale. Dar pentru o anume valoare a masei sale, toate celelalte proprietati ale bosonului Higgs erau determinate in mod unic de teorie. Aceste proprietati sunt cat de des particular Higgs interactioneaza cu celelalte particule (constante de cuplaj, sau coupling constants). Cum mecanismul Higgs da masa particulelor, inseamna ca bosonul Higgs interactioneaza cu atat mai mult cu particulele elementare, cu cat masa lor este mai mare. Cu alte cuvinte, probabilitatea de interactie a bosonului Higgs cu o particula elementara este proportionala cu masa particulelor. Aceasta inseamna ca daca facem un grafic avand pe verticala probabilitatea ca bosonul Higgs sa interactioneze cu o particula si pe orizontala masa particulei si punem particulele elementare, vom obtine puncte care sunt toate pe ... o dreapta.

crivoi dumitru a scris:Care sunt parametrii de stare  principali care caracterizeaza bosonul Higgs.

Daca te referi la proprietatile fizice ale bosonului Higgs, precum sarcina, spinul sau masa, ele sunt sumarizate aici, in panoul din dreapta.

Kenose a scris:Daca te referi la proprietatile fizice ale bosonului Higgs, precum sarcina, spinul sau masa, ele sunt sumarizate aici, in panoul din dreapta.

Multumesc!

Zilele astea a aparut interviul pe care BBC Radio 4 l-a realizat cu Peter Higgs in drumul sau spre Stockholm in decembrie, in care sunt dezvaluite si niste detalii interesante din povestea vietii sale. Un sumar al interviului este si in format text.

http://www.bbc.co.uk/programmes/b03vdx7m