University of Helsinki
Kuluneen kahden viikon aikana hiukkasfyysikot ovat esitelleet “Rencontres de Moriond” -konferenssissa uusia tuloksia mm. liittyen hiukkasfysiikan standardimallin Higgsin bosonin etsintään. Tulosten valossa viime kesänä löydetty uusi hiukkanen näyttää yhä varmemmin Higgsin bosonilta. Seuraavassa tiivistelmä keskeisimmistä uusista tuloksista.
Konferenssissa sekä CMS- että ATLAS-kokeet esittelivät uusimmat tulokset, joissa oli analysoitu koko vuosina 2011-2012 kerätty data, toisin sanoen n. 7 1/fb enemmän kuin marraskuun HCP-konferenssin tuloksissa. Lisääntynyt datamäärä mahdollisti entistä tarkemman uuden hiukkasen (kutsuttakoon sitä tässä X:ksi) tarkastelun eri hajoamiskanavissa. CMS-kokeessa havainnot vastasivat 6.7 keskihajonnan merkitsevyyttä hajoamiskanavassa X->ZZ->4 leptonia, 4.1 keskihajonnan merkitsevyyttä hajoamiskanavassa X->WW, 3.2 keskihajonnan merkitsevyyttä hajoamiskanavassa X->2 fotonia, 2.9 keskihajonnan merkitsevyyttä hajoamiskanavassa X->2 tau sekä 2.2 keskihajonnan merkitsevyyttä hajoamiskanavassa X->bb. ATLAS-kokeessa puolestaan saatiin 7.4 keskihajonnan merkitsevyys X->2 fotonia, 6.6 keskihajonnan merkitsevyys X->ZZ->4 leptonia ja 2.6 keskihajonnan merkitsevyys X->WW hajoamiskanavassa. Hajomiskanavissa X->bb ja X->2 tau ATLAS-koe raportoi pienemmän merkitsevyyden kuin 2 keskihajontaa.
Vaikka tilastolliset merkitsevyydet vaihtelevatkin kokeiden välillä, havainnot kaikissa hajoamiskanavissa sopivat tilastollisesti hypoteesiin Higgsin bosonista. Huomionarvoista on, että useissa yksittäisissä hajoamiskanavissa ylitettiin tiedeyhteisön yleisesti käyttämä löydön (vähintään viisi keskihajontaa) tai todisteen (vähintään kolme keskihajontaa) raja.
Sekä CMS että ATLAS -kokeet esittivät lisäksi myös tuloksensa hajoamiskanavalle X->Z+fotoni. Kummankin kokeen tulokset olivat sopusoinnussa hypoteesin kanssa, että X olisi standardimallin Higgsin bosoni. Uuden hiukkasen massa tarkentui X->2 fotonia ja X->ZZ->4 leptonia hajoamiskanavien perusteella arvoon 125.8 +- 0.4 +- 0.4 GeV CMS-kokeessa ja arvoon 125.5 +- 0.2 + 0.5 -0.6 GeV ATLAS kokeessa, missä ensimmäinen epävarmuus kuvaa mittauksen tilastollista ja jälkimmäinen systemaattista epävarmuutta.
Käyttäen hyväksi hajoamismuotoa X->ZZ->4 leptonia, voidaan leptonien ja Z-bosonien havaituista kulmajakautumista päätellä, mitä uuden hiukkasen spin- ja pariteetti-kvanttiluvut olisivat. Mikäli kyseessä on Higgsin bosoni, täytyy sen spin-kvanttiluvun olla nolla (millään tähän asti tunnetulla alkeishiukkasella näin ei ole) sekä pariteetti-kvanttiluvun olla +1. Tilastomatematiikan avulla voidaan testata, sopivatko havainnot paremmin yksiin Higgsin bosonin vai jonkin muun kvanttitilan kanssa. CMS-kokeessa saatujen tuloksien mukaan spin-kvanttiluku 1 voidaan sulkea pois yli neljän keskihajonnan merkitsevyydellä ja spin-kvanttiluku 2 voidaan sulkea pois 2.7 keskihajonnan merkitsevyydellä. Jos oletetaan, että hiukkasen spin-kvanttiluku on nolla, sulkevat tulokset pois pariteetti-kvanttiluvun -1 3.3 keskihajonnan merkitsevyydellä.
Tiivistetysti voidaan siis sanoa, että tulokset osoittavat uuden hiukkasen olevan Higgsin bosoni 90 % luottamustasolla. On kuitenkin syytä huomata, että vaikka saadut tulokset vankentavat entisestään Higgsin bosonin hypoteesia, perustuvat ne sangen pieneen joukkoon törmäysdataa, mikä altistaa tulokset tilastolliselle heilahtelulle. Kysymys siitä, onko uusi hiukkanen juuri standardimallin ennustama Higgsin bosoni, vaatii puolestaan mm. tarkempaa hajoamissuhteiden tarkastelua.
Nähtäväksi jää, paljonko analyyseistä voidaan puristaa vielä irti lopulliseen versioon, joka ilmestynee myöhemmin tänä vuonna. Erityisen mielenkiintoista on se, paljonko kvanttilukujen analyysiä voidaan parantaa kerätyllä datamäärällä yhdistelemällä eri kanavien tuloksia. Varmaa on nimittäin, että datan määrä ei lisäänny ennen vuotta 2015. Siihen asti LHC-törmäytintä varustetaan nykyiseen verrattuna kaksinkertaisella törmäysenergialla ajamista varten. Nyt esitetyt tulokset tekevät uudesta hiukkasesta vahvan kandidaatin Nobelin palkinnon aiheeksi.
Linkit:
Tiivistelmä CMS:n tuloksista Moriond -konferenssissa
Linkki animoituun massapiikkiin X->ZZ->4 leptonia kanavassa CMS-kokeessa
Linkki animoituun massapiikkiin X->ZZ->4 leptonia kanavassa ATLAS-kokeessa
CERN:n lehdistötiedote
Aiheeseen liittyvät blogikirjoitukset:
Uusi hiukkanen havaittu CERN:n CMS- ja ATLAS-kokeissa (4.7.2012)
Näyttää Higgsiltä, käyttäytyy kuin Higgs – mutta onko se Higgs? (20.11.2012)