Η ζωή του σωματιδίου Higgs

Το σωματίδιο Higgs ζει πολύ λίγο. Αφού γεννηθεί μέσα από τις συγκρούσεις σωματιδίων, το διάσημο σωματίδιο ζει για λιγότερο από ένα τρισεκατομμυριοστό του δισεκατομμυριοστού του δευτερολέπτου ή 1,6×10-22 δευτερόλεπτα. Κι αυτό σύμφωνα με την θεωρία, διότι, μέχρι στιγμής τα πειράματα μπόρεσαν μόνο να θέσουν όρια στην τιμή της διάρκειας ζωής του ή να την προσδιορίσουν με μεγάλη αβεβαιότητα. Όμως, σε μια νέα δημοσίευση της ερευνητικής ομάδας CMS [Evidence for off-shell Higgs boson production and first measurement of its width] αναφέρεται η μέτρηση του χρόνου ζωής του σωματιδίου με πολύ μικρό σφάλμα, επιβεβαιώνοντας ότι το μποζόνιο Higgs έχει πράγματι πολύ μικρή διάρκεια ζωής. Η μέτρηση του χρόνου ζωής του μποζονίου Higgs είναι πολύ σημαντική για τους σωματιδιακούς φυσικούς, επειδή μια πειραματική τιμή του χρόνου ζωής με μικρό σφάλμα, τους επιτρέπει να την συγκρίνουν με την τιμή που προβλέπει η θεωρία του Καθιερωμένου Προτύπου των στοιχειωδών Σωματιδίων. Μια απόκλιση από την πρόβλεψη θα μπορούσε να σημάνει νέα σωματίδια ή δυνάμεις που δεν προβλέπονται από την καθιερωμένη θεωρία, συμπεριλαμβανομένων νέων σωματιδίων στα οποία θα μπορούσε να διασπαστεί το ίδιο το μποζόνιο Higgs. Αλλά δεν είναι εύκολο να μετρηθεί η ζωή του μποζονίου Higgs. Εκ των πραγμάτων, ο αναμενόμενος χρόνος ζωής του είναι πολύ μικρός για να μετρηθεί άμεσα. Μια πιθανή λύση προϋποθέτει την μέτρηση μιας σχετικής ιδιότητας που ονομάζεται πλάτος μάζας, η οποία είναι αντιστρόφως ανάλογη με τον χρόνο ζωής και εκφράζει το μικρό εύρος πιθανών μαζών γύρω από την ονομαστική μάζα του σωματιδίου των 125 GeV. Αλλά κι αυτή η μέτρηση δεν είναι εύκολη, καθώς το προβλεπόμενο εύρος πλάτους μάζας του μποζονίου Higgs είναι πολύ μικρό (\Gamma \cong 0,0041) GeV, και δύσκολα μετριέται πειραματικά. Κι εδώ εμφανίζεται το ιππικό, δηλ. η κβαντική φυσική, για να διασώσει την κατάσταση. Το μποζόνιο Higgs παράγεται συνήθως με μια μάζα ίση ή κοντά στην ονομαστική της τιμή. Όμως, ένα βραχύβιο σωματίδιο όπως το Higgs μπορεί επίσης να παραχθεί με πολύ μεγαλύτερη μάζα από την ονομαστική τιμή, παρότι οι πιθανότητες να συμβεί αυτό είναι μικρότερες. Αυτό το φαινόμενο – όπως και το πλάτος μάζας του σωματιδίου – είναι μια εκδήλωση της αρχής της αβεβαιότητας του Heisenberg. Μια σύγκριση μεταξύ του ρυθμού παραγωγής αυτών των μποζονίων Higgs μεγάλης μάζας ή «εκτός κελύφους» και του ρυθμού παραγωγής των Higgs με την ονομαστική τους μάζα ή «εντός κελύφους», μπορεί να προκύψει το πλάτος μάζας του μποζονίου Higgs και επομένως ο χρόνος ζωής του.

Ένα (λίγο αυθαίρετο) διάγραμμα της κατανομής μάζας του μποζονίου Higgs που προκύπτει από τις διασπάσεις ZZ. Η παραγωγή ενός μποζονίου Higgs εκτός κελύφους, με μάζα σημαντικά μεγαλύτερη από την ονομαστική τιμή των 125CeV, είναι λιγότερο πιθανή. «Πολύ μεγαλύτερη μάζα…; Πώς μπορεί το ίδιο σωματίδιο να έχει πολλαπλές περιοχές μάζας;». Αυτή είναι μια ακόμη συνέπεια του κβαντικού κόσμου των σωματιδίων. Χάρη στις επιτρεπόμενες διακυμάνσεις που οφείλονται στην αρχή της αβεβαιότητας του Heisenberg, ένα ασταθές σωματίδιο μπορεί πράγματι να υπάρξει με μάζα μεγαλύτερη από την ονομαστική τιμή, ή εκτός κελύφους, αλλά μόνο για πολύ μικρό χρονικό διάστημα. Ο λόγος του ρυθμού παραγωγής στην περιοχή μάζας εκτός κελύφους προς τον ρυθμό παραγωγής στην περιοχή του κελύφους είναι ανάλογος με το πλάτος μάζας του μποζονίου Higgs – το οποίο είναι αντιστρόφως ανάλογο με τον χρόνο ζωής του. Αυτή είναι η μέθοδος που χρησιμοποίησε η ομάδα CMS στη νέα της μελέτη. Ανέλυσαν τα δεδομένα που συλλέχθηκαν από το πείραμα CMS κατά την λειτουργία του Μεγάλου Επιταχυντή Αδρονίων (LHC), και συγκεκριμένα, τα δεδομένα σχετικά με μποζόνια Higgs που μετατρέπονται σε δύο μποζόνια Ζ, τα οποία στη συνέχεια μεταπίπτουν σε τέσσερα φορτισμένα λεπτόνια ή δύο φορτισμένα λεπτόνια συν δύο νετρίνα. Εκεί οι ερευνητές του CMS βρήκαν τα πρώτα στοιχεία για την παραγωγή μποζονίων Higgs εκτός κελύφους, γεγονότα που έχουν μόνο 1 στις 1000 πιθανότητες να συμβούν, και έτσι υπολόγισαν τον χρόνο ζωής του μποζονίου Higgs βρίσκοντας την τιμή \tau_{H}=2,1^{+2,3}_{-0,9}\times 10^{-22} δευτερόλεπτα. Αυτή η τιμή, είναι η πιο ακριβής πειραματική τιμή μέχρι σήμερα, συμφωνεί με την πρόβλεψη του Καθιερωμένου Προτύπου και επιβεβαιώνει ότι το σωματίδιο έχει πράγματι μια ελάχιστη διάρκεια ζωής. «Το εν λόγω αποτέλεσμα μας δείχνει ότι η παραγωγή του μποζονίου Higgs εκτός κελύφους προσφέρει έναν εξαιρετικό τρόπο μέτρησης του χρόνου ζωής του μποζονίου Higgs», λέει ο φυσικός του CMS, Pascal Vanlaer. «Και θέτει ένα ορόσημο στη μελέτη των ιδιοτήτων αυτού του μοναδικού σωματιδίου. Η ακρίβεια της μέτρησης αναμένεται να βελτιωθεί τα επόμενα χρόνια με δεδομένα από τα επόμενα πειράματα στον LHC και νέες ιδέες ανάλυσης.» πηγή: https://home.cern/news/news/physics/cms-homes-higgs-bosons-lifetime