Month: July 2012

CERN:n seminaarissa 4.7.2012 LHC-kiihdyttimen CMS- ja ATLAS -kokeet ilmoittivat havainneensa uuden hiukkasen. Hiukkasen massa on 125.3 +- 0.6 GeV ja se havaittiin sekä CMS- että ATLAS -kokeissa useissa toisistaan riippumattomissa hajoamiskanavissa. Vahvistus sille, onko havaittu uusi hiukkanen todella Higgsin bosoni vai ei, saataneen loppuvuodesta, sillä dataa tarvitaan lisää uuden hiukkasen ominaisuuksien määrittämiseen.

CERN:n seminaarissa 4.7.2012 paljastettiin uusimmat CMS- ja ATLAS-kokeiden tulokset liittyen Higgsin bosonin etsintään. Tuloksia varten analysoitiin koko viime vuoden data (5/fb) sekä kesäkuun loppuun mennessä kerätty tämän vuoden data (6/fb). Analysoitu datamäärä siis suurinpiirtein tuplaantui aikaisempaan julkaistuihin analyyseihin nähden. LHC-kiihdyttimen törmäysenergiaa nostettiin 7 TeV:stä 8 TeV:iin, mikä nostaa teorian mukaan hiukkasfysiikan standardimallin Higgsin bosonin tuottotodenäköisyyttä n. 25-30 %.

Higgsin bosonin odotetaan olevan olemassa, koska se liittyy yksinkertaisimpaan toistaiseksi tunnettuun mekanismiin, joka voisi tuottaa eri hiukkasille massan. Higgsin mekanismissa Higgsin bosoni kytkeytyy jokaiseen hiukkaseen, jolla on massa. Tämä tekee sen löytämisen hyvin haastavaksi, sillä Higgsin bosoni hajoaa hyvin monella eri tavalla. Aiemmat analyysit olivat kuitenkin jo kutistaneet mahdolliset Higgsin bosonin massan arvot varsin kapeaan alueeseen, jonka perusteella nyt julkaistuissa analyyseissä oli mahdollista keskittyä etsimään Higgsin bosonia kymmenien eri hajoamiskanavien sijaan viidestä kaikkein herkimmästä hajoamiskanavasta (kaksi fotonia, kaksi Z-bosonia, kaksi W-bosonia, kaksi tau-leptonia sekä kaksi b-kvarkkia).

Analyyseissä mitattiin ja analysoitiin huolellisesti taustaprosessit, joiden tiedetään antavan vähän samannäköisen jäljen kuin mitä Higgsin bosoni saattaisi antaa. Kalibrointiin ja varmennuksiin käytettiin lähes kaikkia tunnettuja hiukkasfysiikan prosesseja. Tärkeimmät taustaprosessit mitattiin suoraan datasta alueissa, joissa mahdollinen Higgsin bosonin signaali ei pääse vaikuttamaan analyysiin. Taustaa verrattiin sitten tilastollisin menetelmin datasta tehtyyn havaintoon. Julkaistu hajoamiskanavien yhdistetty tulos osoittaa, että standardimallin Higgsin bosonin olemassaolo olisi voitu sulkea pois, ellei datassa olisi selvä poikkeama taustasta massa-arvoilla 122-127 GeV.  CMS:n analyysissä havaittu poikkeama eroaa hypoteesista, että havaittaisiin pelkästään taustaprosesseja, n. viiden keskihajonnan (5 sigmaa) verran (ks. viereinen kuva), mitä pidetään yleisesti luotettavan havainnon rajana. Toisinsanoen, olettaen että mittausepävarmuudet noudattavat Gaussista jakaumaa, todennäköisyys sille, että havainto on tilastollista heilahtelua on vain 0.00003 %.

Merkittäväksi havainnon tekee se, että se on havaittu itsenäisesti sekä CMS- että ATLAS-kokeissa ja niissä useissa hajoamiskanavissa. Uusi havainto on myös sopusoinnussa aikaisemmin julkaistujen CMS- ja ATLAS -tulosten kanssa. Joulukuussa 2011 raportoitu pieni poikkeama datassa taustaprosesseihin pysyi uudessa tuloksessa samassa kohdassa ja analyysien sensitiivisyys on kasvanut samassa suhteessa kuin mitä datan lisäämisen odottaisi tekevän. Tuloksia tukee myös vastikään Yhdysvalloissa Fermilaboratoriossa julkistetut tulokset CDF- ja D0-kokeista, joissa havaittiin pieni standardimallin Higgsin bosonin kanssa sopiva ylijäämä 115-140 GeV:n massa-alueella.

Tulokset hajoamiskanava kerrallaan CMS-kokeessa

Kahdessa herkimmässä hajoamiskanavassa (kaksi fotonia sekä kaksi Z-bosonia) havaittiin datassa selvä poikkeama odotetusta taustajakaumasta. Näissä kanavissa erottelukyky uuden hiukkasen massalle on erittäin hyvä ja uuden hiukkasen aiheuttama massapiikki voitiin saada esiin taustajakauman päällä. Kahden fotonin lopputilassa saavutettiin yli neljän keskihajonnan merkittävyys ja kahden Z-bosonin lopputilassa yli kolmen keskihajonnan merkittävyys. WW-lopputilassa merkittävyys jäi n. 1.5 keskihajontaan, kun taas kahden tau-leptonin sekä kahden b-kvarkin lopputiloissa, joissa massan erottelukyky on varsin huono, jäätiin alle 1 keskihajonnan merkittävyyteen.

Yhteensovitettu tulos sille, kuinka paljon eri hajoamiskanavissa nähdään uuden hiukkasen signaalia verrattuna odotukseen siitä, mitä standardimallin Higgsin bosonin pitäisi antaa, kertoo, että uutta hiukkasta havaitaan 0.80 +- 0.22 kertaa niin paljon kuin mitä odotetaan standardimallin Higgsin bosonin antavan. Tulokset ovat siis tilastollisesti yhteensopivia standardimallin Higgsin bosonin kanssa, mitä vastaa luku 1. Myös eri Higgsin bosonin tuottomuodot (tärkein gluoni-gluoni fuusio, sen jälkeen vektoribosonifuusio (VBF), Higgs-säteily (VH) sekä assosioitu top-kvarkki tuotto (ttH)) ovat tilastollisesti yhteensopivia standardimallin Higgsin bosonin kanssa.

Onko havaittu uusi hiukkanen Higgsin bosoni?

Vaikka uusi hiukkanen on havaittu useissa hajoamiskanavissa, jotka ovat tilastollisesti yhteensopivia standardimallin Higgsin bosonin kanssa, on dataa silti liian vähän siihen, että voitaisiin luotettavasti sanoa mikä hiukkanen on kyseessä. Uuden hiukkasen tunnistamiseksi täytyy tutkia tarkemmin sen ominaisuuksia. Teoria ennustaa, että standardimallin Higgsin bosonin spin-kvanttiluku on, toisin kuin millään tunnetulla alkeishiukkasella, nolla. Teoria ennustaa myös, että hiukkanen käyttäytyy symmetrisesti vasenkätisen ja oikeakätisen koordinaatiston välillä, ts. sen pariteetin odotetaan olevan +1. Lisäksi standardimallin Higgsin bosonin hajoamissuhteet, ts. millä todennäköisyydellä se hajoaa mihinkin hajoamiskanavaan, ovat tarkkaan ennustetut tapauksille, jossa Higgsin bosoni hajoaa välibosoneihin tai fotoneihin. Kesäkuun loppuun mennessä kerätty datamäärä ei riitä tekemään luotettavaa johtopäätöstä näistä ominaisuuksista. Eräs avoin kysymys on myös se, että jos havainto osoittautuisi Higgsin bosoniksi, onko niitä useampia kuin yksi?

Hyvä uutinen on se, että LHC-kiihdyttimen odotetaan tuottavan tänä vuonna dataa vielä n. 15/fb verran. Ennusteiden mukaan tämän pitäisi riittää uuden hiukkasen ominaisuuksien tutkimiseen ja vastaamaan kysymykseen siitä, onko kyseessä Higgsin bosoni vai ei. Monikymmenvuotinen etsintä näyttää siten tulevan päätökseen tämän vuoden lopussa tai vuoden 2013 alussa. Osoittautuipa uusi hiukkanen Higgsin bosoniksi tai ei, sen seuraukset tulevat viitoittamaan tietä seuraavien energiaskaalojen tutkimiseen.

Lisätietoa
CMS-kokeessa on mukana kolme suomalaista tutkimusryhmää Fysiikan tutkimuslaitoksesta, Helsingin yliopistosta ja Lappeenrannan teknillisestä yliopistosta. CMS-kokeen suunnittelu aloitettiin vuonna 1992 ja sen rakennustyöt kestivät 16 vuotta. Rakennustöihin sekä kokeen käynnissäpitämiseen ja datan analysointiin on osallistunut 3275 fyysikkoa (mukaanlukien 1535 opiskelijaa) sekä 790 insinööriä 179:stä instituutista tai yliopistosta 41 maasta.

Linkki seminaariin: https://indico.cern.ch/conferenceDisplay.py?confId=197461
Linkki CMS:n tulossivuun: http://cms.web.cern.ch/news/july-4th-seminar-new-cms-higgs-search-results

https://blogs.helsinki.fi/higgshunters/2012/07/04/cernkesa2012seminaari