ΓΡΑΦΟΥΝ: Καθηγητής Πάνος Ραζής και Μέλη της Ομάδας Φυσικής Υψηλών Ενεργειών, Πανεπιστήμιο Κύπρου, εκ μέρους του CMS Collaboration
Σε κοινό σεμινάριο που διεξάχθηκε (την Πέμπτη, 5 Ιουλίου) στο CERN και στο Διεθνές Συνέδριο «ICHEP 2012» στη Μελβούρνη,
οι ερευνητές του πειράματος Compact Muon Solenoid (CMS), που διεξάγεται στο Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων (LHC) του CERN, παρουσίασαν τα προκαταρκτικά τους αποτελέσματα για την αναζήτηση του μποζονίου Higgs του Καθιερωμένου Πρότυπου (ΚΠ) με δεδομένα του που καταγράφηκαν μέχρι και τον Ιούνιο του 2012.
Το Πείραμα CMS παρατηρεί μια περίσσεια γεγονότων σε μάζα περίπου 125GeV, με τη στατιστική σημαντικότητα πέντε τυπικών αποκλίσεων (5 σίγμα) πάνω από το αναμενόμενο υπόβαθρο. Η πιθανότητα του υποβάθρου αυτού να διακυμαίνεται σε αυτό το επίπεδο, ή περισσότερο, είναι περίπου ένα στα τρία εκατομμύρια. Τα ευρήματα είναι ισχυρότερα για τις 2 τελικές καταστάσεις με την καλύτερη διακριτική ικανότητα μάζας: (α) την τελική κατάσταση με δύο-φωτόνια και (β) την τελική κατάσταση με δύο ζεύγη φορτισμένων λεπτονίων (ηλεκτρόνια ή μιόνια), και ερμηνεύονται με την παραγωγή ενός προηγουμένως απαρατήρητου σωματιδίου, με μάζα περίπου 125 GeV.
Τα δεδομένα του πειράματος αποκλείουν επίσης την ύπαρξη του μποζονίου Higgs του ΚΠ στις περιοχές 110 - 122,5 GeV και 127-600 GeV, με όρια εμπιστοσύνης 95% - μικρότερες μάζες έχουν ήδη αποκλειστεί από τα πειράματα στον επιταχυντή LEP του CERN στα ίδια όρια εμπιστοσύνης.
Στo πλαίσιo των στατιστικών και συστηματικών σφαλμάτων, τα αποτελέσματα που λαμβάνονται στα διάφορα κανάλια της αναζήτησης είναι σύμφωνα με τις προσδοκίες για το μποζόνιο Higgs του ΚΠ. Ωστόσο, απαιτούνται περισσότερα δεδομένα για να εξακριβωθεί κατά πόσον αυτό το νέο σωματίδιο έχει όλες τις ιδιότητες του μποζονίου Higgs του ΚΠ, ή, αν κάποιες δεν ταιριάζουν, να αποτελεί ένδειξη νέας φυσικής πέρα από το Καθιερωμένο Πρότυπο.
Ο Επιταχυντής LHC συνεχίζει να περισυλλέγει νέα δεδομένα με εντυπωσιακούς ρυθμούς. Μέχρι το τέλος του 2012, το Πείραμα CMS ελπίζει να έχει υπερτριπλασιάσει τα συνολικά δεδομένα του. Αυτό θα επιτρέψει στο CMS να διευκρινίσει περαιτέρω τη φύση αυτού του νεοπαρατηρούμενου σωματιδίου. Θα επιτρέψει επίσης στο CMS να επεκτείνει τις δυνατότητές του για πολλές άλλες αναζητήσεις στα πλαίσια μιας νέας φυσικής.
Στρατηγική Αναζήτησης του Πειράματος CMS
Το πείραμα CMS ανέλυσε το πλήρες δείγμα των γεγονότων από κρούσεις πρωτονίων-πρωτονίων που συλλέχθηκαν καθ’ όλη τη διάρκεια του 2011 και του 2012, μέχρι τις 18 Ιουνίου. Αυτά τα δεδομένα αντιστοιχούν σε ολοκληρωμένη φωτεινότητα 5,1fb-1, σε ενέργειες κέντρου μάζας 7 TeV κατά το 2011, και μέχρι 5,3fb-1 σε ενέργειες 8TeV κατά το 2012.
Το Καθιερωμένο Πρότυπο προβλέπει ότι το μποζόνιο Higgs διαρκεί για πολύ μικρό χρονικό διάστημα προτού διασπαστεί σε άλλα γνωστά σωματίδια. Το CMS μελέτησε πέντε κύρια κανάλια διάσπασης του μποζονίου Higgs. Τρία κανάλια έχουν ως προϊόν ζεύγη μποζονίων (γγ, ZZ ή WW) και δύο κανάλια ζεύγη φερμιονίων (bb ή ), όπου το γ συμβολίζει ένα φωτόνιο, τα Z και W τους διαδότες της ασθενούς αλληλεπίδρασης, το b το όμορφο κουάρκ και το δηλώνει το ταυ λεπτόνιο. Τα κανάλια γγ, ZZ και WW είναι εξίσου ευαίσθητα στην αναζήτηση για ένα μποζόνιο Higgs, γύρω στα 125 GeV, και όλα είναι πιο ευαίσθητα από τα κανάλια bb και .
Τα κανάλια γγ και ZZ είναι ιδιαίτερα σημαντικά, δεδομένου ότι επιτρέπουν στη μάζα του νέου σωματιδίου να μετρηθεί με πολύ μεγάλη ακρίβεια. Στο κανάλι γγ, η μάζα καθορίζεται από τις ενέργειες και τις κατευθύνσεις των δύο φωτονίων υψηλής ενέργειας που μετρώνται από το Ηλεκτρομαγνητικό Καλορίμετρο κρυστάλλων του CMS (ECAL, Σχήμα 1). Στο κανάλι ZZ, η μάζα καθορίζεται από τις διασπάσεις των δύο Z σε ζεύγη ηλεκτρονίων ή μιονίων, ή ένα ζευγος ηλεκτρονίων και ένα ζευγος μιονίων (Σχήμα 2). Αυτά μετρώνται στο ECAL, τον Κεντρικό Ανιχνευτή και τους Ανιχνευτές Μιονίων.
Σχήμα 1. Γεγονός που καταγράφηκε από τον ανιχνευτή CMS το 2012 σε κρούσεις πρωτονίων-πρωτονίων, σε ενέργειες κέντρου μάζας 8 TeV. Το γεγονός παρουσιάζει χαρακτηριστικά που αναμένονται από τη διάσπαση του μποζονίου Higgs του Καθιερωμένου Πρότυπου (ΚΠ) σε ζεύγος φωτονίων (διακεκομμένες γραμμές και πυργίσκοι). Το γεγονός θα μπορούσε επίσης να οφείλεται σε γνωστές διαδικασίες του υποβάθρου του ΚΠ.
Σχήμα 2. Γεγονός που καταγράφηκε από τον ανιχνευτή CMS το 2012 σε κρούσεις πρωτονίων-πρωτονίων, σε ενέργειες κέντρου μάζας 8 TeV. Το γεγονός παρουσιάζει χαρακτηριστικά που αναμένονται από τη διάσπαση του μποζονίου Higgs του Καθιερωμένου Πρότυπου (ΚΠ) σε ζεύγος μποζονίων Z, ένα από τα οποία διασπάται σε ζεύγος ηλεκτρονίων. Και το άλλο Z σε ζεύγος μιονίων Το γεγονός θα μπορούσε επίσης να οφείλεται σε γνωστές διαδικασίες του υποβάθρου του ΚΠ.
Το κανάλι WW είναι πιο περίπλοκο. Κάθε W προσδιορίζεται μέσω διάσπασης του σε ένα ηλεκτρόνιο και ένα νετρίνο ή ένα μιόνιο και ένα νετρίνο. Τα νετρίνα περνούν μέσα από τους ανιχνευτές του CMS απαρατήρητα, έτσι και το μποζόνιο Higgs του ΚΠ στο κανάλι WW θα εκδηλωθεί ως μια ευρεία υπέρβαση της κατανομής μάζας, και όχι ως στενή κορυφή. Το κανάλι bb έχει μεγάλο υπόβαθρο από τις διαδικασίες του ΚΠ, έτσι η ανάλυση του πειράματος ψάχνει για γεγονότα στα οποία ένα μποζόνιο Higgs παράγεται σε συνδυασμό με ένα W ή Z, το οποίο στη συνέχεια διασπάται σε ηλεκτρόνιο ή μιόνιο. Το κανάλι ττ μετριέται με την παρατήρηση τ που διασπώνται σε ηλεκτρόνια, μιόνια και αδρόνια.
Σύνοψη Αποτελεσμάτων του Πειράματος CMS
Το δείγμα των δεδομένων του Πειράματος θα πρέπει να είναι αρκετά ευαίσθητο, ώστε να αποκλείει τελείως την περιοχή μαζώνα 110-600 GeV με όρια εμπιστοσύνης 95%, αν το Higgs του ΚΠ δεν υφίσταται. Μάλιστα, τα δεδομένα του CMS αποκλείουν την ύπαρξη του μποζονίου Higgs σε δύο ευρείες περιοχές μάζας 110-122,5 GeV και 127-600 GeV με όρια εμπιστοσύνης 95%. Η περιοχή 122,5-127 GeV δεν μπορεί να αποκλειστεί, αφού παρατηρείται περίσσεια γεγονότων σε τρία από τα πέντε κανάλια που αναλύθηκαν:
1) Κανάλι γγ : η κατανομή της μάζας γγ φαίνεται στο Σχήμα 3. Υπάρχει μια περίσσεια γεγονότων πέρα από το υπόβαθρο, με στατιστική σημαντικότητα 4.1 σίγμα, σε μάζα περίπου 125 GeV. Η παρατήρηση των δύο φωτονίων στην τελική κατάσταση σημαίνει ότι το νέο σωματίδιο είναι μποζόνιο, όχι φερμιόνιο, και ότι δεν μπορεί να έχει σπιν 1.
2) Κανάλι ZZ : Το Σχήμα 4 δείχνει την κατανομή της μάζας για τα τέσσερα λεπτόνια (δύο ζεύγη ηλεκτρονίων, ή δύο ζεύγη μιονίων, ή ένα ζεύγος ηλεκτρονίων και ένα ζεύγος μιονίων). Λαμβάνοντας υπόψη και τα χαρακτηριστικά της γωνίας διάσπασης, λαμβάνεται μια περίσσεια δεδομένων που αντιστοιχεί σε στατιστική σημαντικότητα 3.2 σίγμα υπεράνω του υποβάθρου, σε μάζα κοντά στα 125 GeV.
3) Κανάλι WW : παρατηρείται περίσσεια γεγονότων στην κατανομή μάζας, με στατιστική σημαντικότητα 1.5 σίγμα.
4) Κανάλια bb και ττ : δεν παρατηρείται περίσσεια.
Σχήμα 3. Κατανομή της αναλλοίωτης μάζας δι-φωτονίων (γγ) από τα δεδομένα του Πειράματος CMS (2011 και 2012, μαύρα σημεία με σφάλματα). Τα δεδομένα σταθμίζονται με το λόγο σήματος προς υπόβαθρο για κάθε υποκατηγορία γεγονότων. Η συμπαγής κόκκινη γραμμή δείχνει το προσαρμοσμένο αποτέλεσμα για σήμα και υπόβαθρο - η διακεκομμένη κόκκινη γραμμή δείχνει μόνο το υπόβαθρο.
Σχήμα 4. Κατανομή της μάζας (ανακατασκευασθείσας) των τεσσάρων λεπτονίων για τα κανάλια με 4e, 4μ, και τα 2e2μ. Τα σημεία αντιπροσωπεύουν τα δεδομένα, τα σκιασμένα ιστογράμματα
το υπόβαθρο και το μη-σκιασμένο ιστόγραμμα το σήμα. Οι μετρήσεις παρουσιάζονται για το σύνολο των δεδομένων σε ενέργειες κέντρου μάζας
7 TeV και 8 TeV.
Η στατιστική σημαντικότητα του σήματος, σε συνδυασμένη προσαρμογή και των πέντε καναλιών (Σχήμα 5), είναι 4.9 σίγμα υπεράνω του υποβάθρου. Συνδυασμένη προσαρμογή μόνο για τα δύο πιο ευαίσθητα και υψηλής ευκρίνειας κανάλια (γγ και ΖΖ) παράγει στατιστική σημαντικότητα 5.0 σίγμα. Η πιθανότητα του υποβάθρου να διακυμαίνεται σε αυτό επίπεδο ή περισσότερο είναι μια στα τρία εκατομμύρια.
Σχήμα 5. Η παρατηρούμενα πιθανότητα (τοπική p-value) το υπόβαθρο μόνο να αποφέρει τα ίδια ή περισσότερα γεγονότα, όπως παρατηρούνται στα δεδομένα του CMS, ως συνάρτηση της μάζας του μποζονίου Higgs του Καθιερωμένου Πρότυπου για τα εξεταζόμενα πέντε κανάλια. Η συμπαγής μαύρη γραμμή δείχνει το συνδυασμένο τοπικό p-value για όλα τα κανάλια.
Η μάζα του νέου σωματιδίου υπολογίστηκε στα 125.3 ± 0.6 GeV, ανεξάρτητα από υποθέσεις για τον αναμενόμενο αριθμό γεγονότων στα κανάλια διάσπασης. Η μετρούμενη ενεργός διατομή (σdat) του νέου σωματιδίου είναι σε συμφωνία με την αναμενόμενη τιμή (σsm) για το μποζόνιο Higgs του ΚΠ: σdat/σsm =0.80±0.22.
Μεγάλη προσοχή έχει επίσης ληφθεί για την κατανόηση πολλών στοιχείων της απόδοσης των ανιχνευτών του πειράματος, τον προσδιορισμό του υποβάθρου και άλλες πιθανές πηγές συστηματικών και στατιστικών σφαλμάτων. Στην ανάλυση για το 2011 προέκυψε περίσσεια γεγονότων στα 125 GeV περίπου. Ως εκ τούτου, για να αποφευχθεί τυχόν μεροληψία στα κριτήρια επιλογής για τα δεδομένα του 2012, η οποία θα μπορούσε να επαυξήσει την περίσσεια αυτή, η εξέταση της περιοχής ενδιαφέροντος έγινε αφού πρώτα εξετάστηκαν αναλυτικά και εγκρίθηκαν όλα τα κριτήρια επιλογής.
Ως γενική διασταύρωση στοιχείων, οι αναλύσεις πραγματοποιήθηκαν από τουλάχιστον δύο ανεξάρτητες ομάδες. Μια σειρά από άλλα χαρακτηριστικά ενίσχυσαν την εμπιστοσύνη στα αποτελέσματα:
Η περίσσεια παρατηρείται περίπου στα 125 GeV, τόσο στα δεδομένα του 2011 (7 TeV) όσο και στα δεδομένα του 2012 (8 TeV),
Η περίσσεια παρατηρείται στην ίδια μάζα και για τα δύο κανάλια υψηλής ευκρίνειας (γγ και ZZ),
Η περίσσεια που παρατηρείται στο κανάλι WW είναι συνεπής με εκείνη που θα προέκυπτε από ένα σωματίδιο στα 125 GeV,
Η περίσσεια παρατηρείται σε μια σειρά τελικών καταστάσεων που περιλαμβάνουν τα φωτόνια, τα ηλεκτρόνια, τα μιόνια και τα αδρόνια.
Τα προκαταρκτικά αποτελέσματα που παρουσιάζονται σήμερα θα υποβληθούν σε περαιτέρω επεξεργασία, με σκοπό την υποβολή τους προς δημοσίευση προς το τέλος του καλοκαιριού.
Μελλοντικά Σχέδια του Πειράματος
Το νέο σωματίδιο που παρατηρήθηκε στα 125 περίπου GeV είναι συμβατό, υπό την περιορισμένη στατιστική ακρίβεια, με το να είναι το μποζόνιο Higgs του ΚΠ. Ωστόσο, απαιτούνται περισσότερα δεδομένα για να μετρήσουμε τις ιδιότητές του, όπως οι λόγοι διακλάδωσής του στα διάφορα κανάλια (γγ, ZZ, WW, bb και ττ) και τελικά το σπιν και η ομοτιμία του, και ως εκ τούτου να εξακριβωθεί κατά πόσον πρόκειται πράγματι για το μποζόνιο Higgs του ΚΠ, ή ένδειξη για νέα φυσικής πέρα από το Καθιερωμένο Πρότυπο.
Ο Επιταχυντής LHC συνεχίζει να αποδίδει εξαιρετικά καλά. Μέχρι το τέλος του 2012, το Πείραμα CMS αναμένεται να υπερτριπλασιάσει τα συνολικά του δεδομένα και, συνεπώς, να εξετάσει περαιτέρω τη φύση του νέου αυτού σωματιδίου. Αν το σωματίδιο αυτό είναι πράγματι το μποζόνιο Higgs του ΚΠ, οι ιδιότητες του και οι συνέπειες για το Καθιερωμένο Πρότυπο θα μελετηθούν λεπτομερώς. Αν δεν είναι το μποζόνιο Higgs του ΚΠ, το CMS θα διερευνήσει τη φύση της νέας φυσικής που συνεπάγεται, η οποία μπορεί να οδηγεί στην παρατήρηση επιπρόσθετων σωματιδίων στο LHC. Σε κάθε περίπτωση, οι έρευνες θα συνεχιστούν για άλλα νέα σωματίδια ή δυνάμεις που μπορεί να παρατηρηθούν στη μελλοντική λειτουργία του LHC σε υψηλότερες ενέργειες και εντάσεις δέσμης.
Σχετικά με το Πείραμα CMS
Περισσότερες πληροφορίες: http://cern.ch/cms ή email: cms.outreach@cern.ch.
Το πείραμα CMS είναι ένα από τα δύο γενικής χρήσης πειράματα στο LHC, που έχουν κατασκευαστεί για την αναζήτηση νέας φυσικής. Έχει σχεδιαστεί για να ανιχνεύσει ένα ευρύ φάσμα σωματιδίων και φαινομένων που παράγονται στις υψηλές ενέργειες των κρούσεων πρωτονίων-πρωτονίων και βαρέων ιόντων στο LHC και θα βοηθήσει να απαντηθούν ερωτήματα όπως: «Από τι είναι φτιαγμένο πραγματικά το Σύμπαν και ποιες οι δυνάμεις που αλληλεπιδρούν μέσα σε αυτό; και «τι δίνει σε όλα μάζα;». Θα μετρήσει επίσης τις ιδιότητες των γνωστών σωματιδίων με πρωτοφανή ακρίβεια και θα αναζητήσει εντελώς νέα, απρόβλεπτα φαινόμενα. Η εν λόγω έρευνα, όχι μόνο αυξάνει την κατανόησή μας για τον τρόπο με τον οποίο λειτουργεί ο κόσμος, αλλά τελικά μπορεί να πυροδοτήσει νέες τεχνολογίες που αλλάζουν τον κόσμο στον οποίο ζούμε, όπως συχνά έχει γίνει στο παρελθόν.
Η προκαταρκτικός σχεδιασμός του πειράματος CMS χρονολογείται από το 1992. Η κατασκευή του γιγαντιαίου ανιχνευτή (15 μέτρα διάμετρος και περίπου 29 μέτρα μήκος. με βάρος 14000 τόνους) πήρε 16 χρόνια προσπάθειας από μία από τις μεγαλύτερες διεθνείς επιστημονικές συνεργασίες που σχηματοποιήθηκαν: 3275 Φυσικοί (συμπεριλαμβανομένων 1535 φοιτητών), καθώς και 790 Μηχανικοί και Τεχνικοί, από 179 Ιδρύματα και Ερευνητικά Εργαστήρια από 41 χώρες σε όλο τον κόσμο.
0 σχόλια:
Δημοσίευση σχολίου