Higgs 2012

Takana on jännittävä vuosi Higgsin hiukkasen metsästyksessä. Nyt vuoden vaihduttua on hyvä aika katsoa, mitä kaikkea saatiin aikaan, ja mitä tulevalta vuodelta odotetaan.

Tuloksia Higgsin hiukkasen metsästyksestä esiteltiin vuoden 2011 kuluessa kolmeen otteeseen: ensimmäisen kerran kesällä Lepton Photon -konferenssissa Intian Mumbaissa käyttäen noin 20% koko vuoden datasta, toisen kerran syksyllä Pariisissa Hadron Collider Physics -symposiumissa yhdistäen Atlas- ja CMS-kokeiden tulokset, ja kolmannen kerran erityisessä CERNin Higgs-seminaarissa joulukuussa käyttäen koko vuoden dataa.

Higgsin hiukkanen on pilkahdellut vuoden kuluessa piiloon ja näkyviin. Ensimmäisiä pienen pieniä vihjeitä nähtiin jo Mumbaissa, mutta Pariisin konferenssiin mennessä signaali oli jälleen heikentynyt.

Vakuuttavimmat vihjeet nähtiin joulukuussa, jolloin etsintöjen sensitiivisyys oli ensimmäistä kertaa sellainen, että Higgsin hiukkasesta voisi jo olettaakin näkyvän ensimmäisiä merkkejä. Oli Higgsin hiukkanen olemassa tai ei, sen piilopaikat ovat vuoden kuluessa käyneet vähiin. Aiempi 114–600 GeV alue on kutistunut 115–126 GeV rakoon.

Tulevan vuoden alkupuoliskolla odotetaan CMS- ja ATLAS-kokeiden yhdistämistä, jolloin saadaan selville, kuinka yhteensopivia kokeiden tulokset ovat mahdolliselle signaalille. Joitain spekulaatioita on toki mahdollista tehdä jo tässä vaiheessa.

Higgsin hiukkasta ei voida havaita suoraan, vaan sitä jäljitetään datasta eri hajoamiskanavissa. Teoria ennustaa varsin tarkkaan, kuinka monta Higgsin hiukkasta syntyy ja hajoaa eri kanaviin, kun hiukkasen massa tunnetaan.

Hajoamiskanavat voi karkeasti jakaa kahteen tyyppiin: sellaisiin, joissa hajoavan hiukkasen massa voidaan selvittää tarkasti, ja toisiin, joissa massaresoluutio on heikko. Esimerkkejä ensimmäisestä ovat Higgsin hajoamiset kahteen fotoniin tai Z-bosoniparin kautta neljään leptoniin (4e, 4mu, 2e2mu), jälkimmäisestä hajoamiset kahteen b-kvarkkiin, kahteen tau-leptoniin tai W-bosoniparin kautta kahteen leptoniin ja kahteen neutriinoon.

Huonon massaresoluution omaavat kanavat vihjaavat, että Higgs voi olla jossain nykyisen massaikkunan 115–127 GeV sisällä, kun taas paremman resoluution kanavat voivat määrittää Higgsin massan tarkemmin kyseisen ikkunan sisältä.

Mikä tekee nykyisestä vihjeestä mielenkiintoisen, on se että sekä ATLAS- että CMS-kokeet näkevät ylimäärää hiukkasia huonon resoluution kanavissa, ja vihjeitä Higgsin hiukkasesta 124-126 GeV:n paikkeilla tarkan resoluution kanavissa. Ylimäärä on myös konsistentti standardimallin ennusteiden kanssa.

On kuitenkin syytä painottaa, että havaitut ylimäärät ovat edelleen hyvin pieniä: CMS näkee yhden 4e ja yhden 2e2mu eventin 126 GeV paikkeilla, kun ATLAS taas näkee yhden 4mu ja kaksi 2e2mu eventtiä välillä 123.6–124.6 GeV.

Näin pienet ylimäärät ovat edelleen normaalin tilastollisen vaihtelun puitteissa taustalle, jonka odotusarvo massaresoluution kokoisella noin 5 GeV:n alueella on 0.5–1.5 eventtiä.

Kahden fotonin kanavassa laskennalliset ylijäämät ovat hieman suurempia (n. 20–40), mutta tunnetuista standardimallin prosesseista syntyy taustaeventtejä, joiden lukumäärä on yli kymmenkertainen signaaliin verrattuna kussakin massapisteessä.

Kaikki fotoni-fotonikanavassa havaitut ylijäämät eivät myöskään ole konsistentteja neljän leptonin eventtien kanssa.

Tarkan resoluution kanavissa täytyy myös huomioida ns. “look-elsewhere” efekti. Koska Higgsin hiukkasta etsitään yhä monelta eri massalta suhteellisen leveän massaikkunan sisältä, on paljon todennäköisempää, että matalakin tausta tuottaa väärän signaalin, kuin jos Higgsin hiukkasta etsittäisiin vain yhdeltä tietyltä massalta.

Hyvä esimerkki satunnaisfluktuaatioista näyttäisi olevan CMS-kokeen kolmen 4mu eventin klusteri noin 119 GeV:n paikkeilla. Tämäkin voisi olla vihje Higgsin bosonista, mutta se ei ole yhtä konsistentti eri kanavien välillä kuin 125 GeV:n vihje, eikä ATLAS-koe näe tällä massalla ylijäämää.

Nykyinen vihje 125 GeV:n paikkeilla on konsistentti standardimallin Higgsin hiukkanen eri kanavien ja eri kokeiden välillä, mutta vihjeen tilastollinen merkittävyys kussakin yksittäisessä kanavassa on edelleen pieni. Tilastollisesti laskien todennäköisyys sille, että nyt havaittu signaali on syntynyt satunnaisfluktuaatioista on jotain 2% ja 10% välillä.

Nykyinen vihje jakaakin vielä tutkijoiden mielipiteet, sillä sen merkittävyys riippuu suuresti siitä, kuinka todennäköisenä Higgsin hiukkasen olemassaoloa on ennakkoon pitänyt (ks. Bayesilainen tilastotiede).

Jos Higgsin hiukkasen olemassaololle on ennen nykyisiä mittauksia antanut 2% prosentin todennäköisyyden, voi Higgsin hiukkasta vastaan yhä lyödä vetoa suhteella 10:1. Jos taas on odottanut Higgsin löytyvän 50% varmuudella, voi nyt korottaa vedonlyöntisuhdetta sen puolesta suhteeseen 10:1.

Oli asia niin tai näin, vuoden 2012 lopulla ollaan jo paljon viisaampia. Vuoden aikana on tarkoitus kerätä noin nelinkertainen määrä dataa nykyiseen verrattuna sekä yhdistää ATLAS- ja CMS-kokeiden tulokset. Ennusteiden mukaan tämän pitäisi riittää joko sulkemaan Higgsin hiukkasen olemassaolo pois, tai löytämään vahvistus nykyiselle signaalille.

Keveällä Higgsin hiukkasella on myös seurauksia muihin uusien hiukkasten etsintöihin. Jos Higgsin hiukkanen olisi riittävän massiivinen, se voisi vakauttaa standardimallin Planckin massalle asti, ja olisi mahdollisesti viimeinen hiukkanen, joka voidaan löytää hiukkaskiihdyttimillä.

Kevyt Higgsin hiukkanen kuitenkin vaatii vähintään yhden kumppanin, jotta nykyisen standardimallin laskelmat eivät kaadu äärettömyyksiin nykyistä korkeampienergisilla törmäyksillä. Yksi mahdollinen vaihtoehto ovat supersymmetriset hiukkaset, joista kevein on hiukan massiivisempi, kuin tähän asti on pystytty havaitsemaan.

Vuoden alussa lehdistössä oltiin jo valmiita hautaamaan kauan tutkitut supersymmetriset teoriat. Keveä Higgsin hiukkanen kuitenkin vaatii, että keveimmänkin supersymmetrisen hiukkasen täytyy olla varsin massiivinen. Tämän takia ne ovat hyvinkin voineet jäädä vielä havaitsematta ajettaessa LHC:tä puoliteholla.

Tulevasta vuodesta näyttää siis tulevan jännittävä niin Higgsin hiukkasen kuin muidenkin uuusien hiukkasten metsästyksessä. Maya-kalentereiden ennustamaksi väitetty maailmanloppu 2012 tuskin tulee, mutta hiukkasfysiikassa voi hyvinkin alkaa uusi aikakausi.

Jutun tiedot ja kuvat perustuvat pääasiassa CERNin Higgs-seminaariin 13.12.2011.