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.
Neljän leptonin muodostaman systeemin massa hajoamiskanavassa X->ZZ->4 leptonia CMS-kokeessa. Lähde: CMS-HIG-13-002.
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.
Vasemmalla: Spin-pariteetti -kvanttitilojen 0+ (Higgsin bosoni) ja 0- (pseudoskalaari) ennustetut jakaumat (punaiset viivat) sekä havaittu jakauma (mustat pallot) CMS-kokeen X->ZZ->4 leptonia hajoamiskanavassa. Oikealla: Spin-pariteetti -kvanttitilojen 0+ (Higgsin bosoni) ja 0- (pseudoskalaari) tilastollinen yhteensopivuus. Punainen nuoli osoittaa havaintoja vastaavan arvon. Lähde: CMS-HIG-13-002.
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.
CMS-kokeessa on havaittu uusi ilmiö protonien ja lyijy-ytimien törmäyksissä. Havainto tehtiin tutkimalla pilottiajon n. kahta miljoonaa törmäystapahtumaa CERN:n LHC-törmäyttimessä. Ilmiössä havaitaan, että törmäyspisteestä pois sinkoavat hiukkasparit lentävät suurella todennäköisyydellä samaan suuntaan (kuva 1). Tämä tarkoittaa, että niillä on täytynyt olla joku tapa “kommunikoida”, ts. vuorovaikuttaa, keskenään. Sama ilmiö on aiemmin havaittu lyijy-ytimien törmäyksissä raskasionitörmäyttimissä sekä myös pari vuotta sitten ensimmäistä kertaa kahden protonin törmäyksissä CMS-kokeessa.
Kuva 1: Kahden protoni-lyijy-ydin törmäyksessä syntyneen hiukkasen välinen kulmajakauma tapauksissa, joissa on syntynyt alle 35 jälkeä (vasen), ja tapauksissa, joissa on syntynyt yli 110 jälkeä (oikea). Lähde: CMS-PAS-HIN-12-015
Ilmiölle etsitään edelleen fysikaalista selitystä. Yllättäväksi ilmiön tekee se, että kvarkki-gluoni plasman muodostumista pidetään mahdottomana protonien ja lyijy-ytimien välisissä törmäyksissä. Siksi toistaiseksi suosituin selitys ilmiölle on, että kyseessä olisi uusi jo aiemmin ennustettu aineen olomuoto, ns. color glass condensate, jossa atomiytimen rakenneosasia yhteensitovat gluonit käyttäyvät hetken aikaa nesteenomaisesti.
Lisää protonien ja lyijy-ytimien törmäyksiä on luvassa LHC-törmäyttimellä, kun varsinaiset törmäysajot alkavat tammikuussa.
Viime heinäkuusta lähtien, jolloin ATLAS- ja CMS-koeasemat CERN:ssä julkistivat tiedon uudesta Higgsin kaltaisen bosonin löytymisestä, ovat fyysikot arvuutelleet minkälainen uusi hiukkanen on: onko se pitkään etsitty Higgsin hiukkanen vai jotain aivan muuta? Voisiko se antaa viitteitä, mitä muuta uutta datasta voisi löytyä? Molemmat koeasemat ovat keränneet ja analysoineet huomattavan määrän lisää dataa sitten viime heinäkuun ja julkistivat 16.11. (Hadron Collider Physics -konferenssi) viimeisimmät tuloksensa liittyen tämän uuden hiukkasen ominaisuuksiin. Uudet tulokset vahvistavat kautta linjan aiempia tuloksia.
Heinäkuun tulokset olivat kiistattomia: uusi Higgsin kaltainen bosoni (kutsuttakoon sitä tässä kirjoituksessa nimellä H125) löytyi kahdessa toisistaan riippumattomassa kokeessa yleisesti hyväksytyllä tilastollisella tarkkuudella ja siitä löytyi todisteita useammista hajoamismuodoista. Uusimmissa tuloksissa analysoidun datan määrä on melkein tuplautunut: viime vuotisen datan (5 1/fb @ 7 TeV) lisäksi tänä vuonna kerätystä datasta on käytetty 12 1/fb @ 8 TeV (heinäkuun tuloksissa oli 5 1/fb @ 8 TeV). Koska tilastolliset epävarmuudet dominoivat toistaiseksi useimpien mittauksien epävarmuuksia, tarkoittaa datamäärän tuplaaminen sitä, että tulosten tilastollisen merkittävyyden pitäisi tällöin parantua tekijällä 1.4 (eli neliöjuuri kahdesta). Lisäksi koeasemien mittalaitteiden kalibrointia on parannettu.
Päivitetyissä tuloksissa on keskitytty edelleen viiteen merkittävimpään standardimallin Higgsin bosonin hajoamiskanavaan massan 125 GeV tienoilla, eli
H125 hajoaa kahteen fotoniin,
H125 hajoaa kahteen Z-välibosoniin,
H125 hajoaa kahteen W-välibosonia,
H125 hajoaa kahteen tau-leptoniin sekä
H125 hajoaa kahteen b-kvarkkiin.
Seuraavassa keskitytään CMS-kokeen uusiin tuloksiin, ellei toisin ole mainittu. CMS:n tuloksissa kaikkien muiden edellämainittujen hajoamiskanavien analyysi on päivitetty kahden fotonin hajoamiskanavan analyysiä lukuunottamatta. Analyysiin on lisätty aiemmin julkaisemattomia kanavia, kuten H125 -> ZZ -> 2 elektronia tai 2 myonia + 2 tau-leptonia. Lisäksi osassa analyyseistä lisääntynyt datan määrä on mahdollistanut datan pilkkomisen aiempaa useampaan toisistaan riippumattomaan kategoriaan herkkyyden lisäämiseksi.
Kuva 1 esittää päivitetyt tulokset pähkinänkuoressa. Se esittää mitattua todennäköisyyttä eri Higgsin bosonin massan 125 GeV tuntumassa sille, että havainto olisi vain tunnettujen fysiikan prosessien tilastollista heilahtelua. Kuvissa on eritelty erivärisillä viivoilla todennäköisyys kullekin yllämainitulle viidelle hajoamiskanavalle. Kuvasta havaitaan, että havainnot ovat vahvistuneet jokaisessa päivitetyssä hajoamiskanavassa aiempiin tuloksiin nähden.
Kuva 1: Mitattu todennäköisyys eri H125:n massahypoteeseilla sille, että havainto olisi vain tunnettujen prosessien tilastollista heilahtelua. Lähde: CMS-PAS-HIG-12-045.
Kuvassa 1 on niinikään kuvattu mustalla viivalla kaikkien hajoamiskanavien tilastollista yhdistelmää ja katkoviivalla teorian antamaa ennustetta yhdistelmälle. Näistä jälkimmäinen kertoo analyysien herkkyyden. Kuvasta 1 voidaan nähdä, että massahypoteesin 125 GeV kohdalla havaittu todennäköisyys on parantunut likimäärin tekijällä 1.4 (5.0->6.9), joka vastaa juuri datamäärän tuplaamisesta johtuvaa parannusta. 5 keskihajonnan ylittävää tulosta pidetään hiukkasfysiikassa yleisen käytännön mukaan riittävänä todisteena signaalin olemassaololle. Päivitetty tulos antaa H125:n massaksi 125.8 +- 0.4 +- 0.4 GeV, missä ensimmäinen epävarmuus kuvaa tilastollista epävarmuutta ja jälkimmäinen systemaattisista tekijöistä johtuvaa epävarmuutta.
Miten hyvin uudet havainnot sopivat sitten yhteen sen kanssa, että H125 olisi standardimallin Higgsin bosoni? Uudet havainnot ovat täysin linjassa vanhempien kanssa, niiden merkittävyys on jopa lisääntynyt odotetusti. Kyseessä on siis uusi hiukkanen ja koska se hajoaa välibosoneihin, sen täytyy itsekin olla bosoni. Vaaditaan kuitenkin vielä H125:n ominaisuuksien tutkimista, jotta voitaisiin todeta onko se juuri Higgsin bosoni. Tärkeimmät teorian ennustamat ominaisuudet, jotka H125:n pitäisi täyttää ollakseen Higgsin bosoni, ovat:
H125:n aaltofunktion pitäisi olla symmetrinen avaruuden peilauksessa (ts. pariteetti = + ),
H125:n spin-kvanttiluvun pitäisi olla 0 (millään tunnetulla alkeishiukkasella spin ei ole nolla),
todennäköisyys, jolla H125 hajoaa kuhunkin hajoamiskanavaan, pitää olla yhteensopiva teorian ennusteen kanssa,
todennäköisyys, jolla H125 tuotetaan kussakin tuottoprosessissa, pitää olla yhteensopiva teorian ennusteen kanssa sekä
todennäköisyys, jolla H125 hajoaa kuhunkin hiukkaseen (voidaan laskea kahdesta edellisestä), pitää olla yhteensopiva teorian ennusteen kanssa.
Uusissa tuloksissa on jo mitattu osa näistä ominaisuuksista.
Kuvassa 2 esitetään mitattu todennäköisyys sille, että H125 hajoaa tiettyyn hajoamiskanavaan (vasen kuva), sekä sille, että H125 tuotetaan tietyssä prosessissa (oikea kuva). Väritetty neliö kuvaa mitattua arvoa ja vaakasuora viiva sen epävarmuutta. Mittausten tilastollista yhdistelmää kuvataan pystysuoralla viivalla ja sen epävarmuutta väritetyllä suorakaiteella. Koska standardimallin Higgsin bosoni vastaa kuvissa vaaka-akselin arvoa 1, voidaan sanoa uusienkin havaintojen olevan tilastollisesti yhteensopivia sen kanssa, että H125 olisi standardimallin Higgsin bosoni. Kahden fotonin hajoamiskanavan tuloksia ei ole päivitetty kuvissa, joten sen ylijäämä on sama kuin aiemmissa tuloksissa. ATLAS-kokeen uusissa tuloksissa (kuva 3), joissa kahden W-välibosonin, kahden tau-leptonin ja kahden b-kvarkin analyysejä on päivitetty, voidaan myös todeta, että havainnot ovat tilastollisesti yhteensopivia sen kanssa, että H125 olisi standardimallin Higgsin bosoni.
Kuva 2: Mitattu tuottotodennäköisyys suhteessa standardimallin Higgsin bosonin teoreettiseen ennusteeseen eri H125:n hajoamiskanaville (vasen kuva), sekä eri H125:n tuottoprosesseissa (oikea kuva). Lähde: CMS-PAS-HIG-12-045.
Kuva 3: ATLAS-kokeessa mitattu tuottotodennäköisyys suhteessa standardimallin Higgsin bosonin teoreettiseen ennusteeseen eri H125 hajoamiskanaville. Lähde: ATLAS-CONF-2012-162.
Hajoamiskanavista ja niiden tuottoprosessista voidaan myös laskea todennäköisyys sille, että H125 hajoaa tiettyihin hiukkasryhmiin tai alkeishiukkasiin ja tutkia mitattua arvoa teorian antamiin ennusteisiin. Kuvassa 4 verrataan H125 hajoamistodennäköisyyttä fermioneihin (F) ja bosoneihin (V) (vasen kuva) sekä gluoneihin (g) ja fotoneihin (gamma) (oikea kuva) perustuen CMS:n tuloksiin. Kuvissa risti osoittaa mittauspistettä ja sen ympärillä olevat samankeskiset soikiot 68 %, 95 % ja 99.7 % luottamusvälejä. Teorian ennuste on kuvattu timantilla. Molemmissa tapauksissa havainnot poikkeavat jonkin verran teorian ennusteesta, mutta koska poikkeama on alle kahden keskihajonnan verran, se ei ole tilastollisesti merkittävää.
Kuva 4: H125:n hajoamistodennäköisyys fermioneihin (F) ja bosoneihin (V) (vasen kuva) sekä gluoneihin (g) ja fotoneihin (gamma) (oikea kuva). Lähde: CMS-PAS-HIG-12-045.
Uudet tulokset mahdollistavat ensimmäistä kertaa myös H125:n pariteetin tutkimisen. Mittauksessa on käytetty hyväksi hajoamiskanavaa, jossa H125 hajoaa kahteen Z-välibosoniin ja Z edelleen kahteen elektroniin tai kahteen myoniin. H125:n symmetrisyys tai antisymmetrisyys avaruuden peilauksessa aiheuttaa nimittäin eroavaisuutta siihen, mihin kulmaan Z-välibosonien liikemäärä todennäköisimmin osoittaa törmäysakselin suhteen. Kuvassa 5 on esitetty teorian ennustamat jakaumat symmetriselle (vaakaviivoitus) ja antisymmetriselle (pystyviivoitus) tapaukselle CMS-kokeessa olettaen, että H125:n spin on nolla. Paksu nuoli osoittaa mitatun arvon. Jos oletetaan, että H125:n spin on nolla, niin mikäli sen aaltofunktio olisi antisymmetrinen, todennäköisyys havaita mitattu arvo olisi vain 2.4 %. Tämä todennäköisyys on vielä suuntaa-antava yleisesti käytettyihin rajoihin verrattuna. Lisäksi, mittauksella ei ole toistaiseksi pystytty osoittamaan onko H125:n spin 0 vai 2.
Kuva 5: Teorian ennustamat jakaumat symmetriselle (vaakaviivoitus) ja antisymmetriselle (pystyviivoitus) H125:n aaltofunktiolle avaruuspeilauksissa sekä mitattu arvo olettaen, että H125:n spin-kvanttiluku on nolla. Lähde: CMS-PAS-HIG-12-045.
Mittaukset ovat siis edelleen tilastollisesti yhteensopivia sen kanssa, että H125 olisi standardimallin Higgsin bosoni. Sitä voidaan siis edelleen perustellusti kutsua Higgsin kaltaiseksi bosoniksi, mutta sen ominaisuuksia ei kuitenkaan ole vielä pystytty mittaamaan riittävällä tarkkuudella, jotta voitaisiin todeta sen olevan juuri Higgsin bosoni. Tehdyissä mittauksissa suurin epävarmuus tulee edelleen tilastollisesta epävarmuudesta, mitä voidaan pienentää analysoidun datan määrää lisäämällä. Jotta voitaisiin sanoa mistä hiukkasesta on kyse, tarvitaan siis lisää dataa. Datan määrän lisäksi myös analyysimenetelmien edelleenparantaminen mahdollistaa entistä tarkempien tuloksien saamisen.
Katseet kääntyvät siis kohti maaliskuun alussa olevaa Moriondin 2013 konferenssia, joka lienee seuraava looginen ajankohta tulospäivityksille. Silloin analyysien käytössä lienee taas melkein kaksinkertainen määrä dataa viimeisimpiin tuloksiin nähden. Se tarkoittaa paljon työtä kalibroinnin ja analyysien parantamisessa, mutta myös kutkuttavia aikoja niin kokeellisille kuin teoreettisille fyysikoille: saas nähdä mitä uutta hiukkasesta siihen mennessä paljastuu.
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.
Oikea CMS-kokeen törmäystapahtuma, jossa on syntynyt 4 myonia (punaiset viivat). Keltaiset viivat kuvaavat muita törmäyksessä syntyneitä varattuja hiukkasia.
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).
Lokaali P-arvo hiukkasen massan funktiona (hypoteesina käytetty Higgsin bosonia), eli todennäköisyys sille, että havainnoitu data on yhteensopiva hypoteesin "data kuvaa pelkkiä taustaprosesseja" kanssa.
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.
Vasemmalla: Kahden fotonin systeemin massajakautuma (mustat pallukat kuvaavat havaintoa datasta, punainen viiva kuvaa taustaprosessien mitattua määrää ja keltainen sekä vihreä alue kuvaavat taustaprosessien määrän mittaustarkkuutta). Oikealla: Neljän leptonin (4 myonia/4 elektronia/2 myonia+2elektronia) systeemin massajakautuma (mustat pallukat kuvaavat havaittua dataa, siniset ja vihreät alueet mitattuja taustaprosessien määriä ja punainen viiva visualisoi miltä 126 GeV:n massainen uusi hiukkanen näyttäisi Higgsin bosonin hypoteesilla).
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.
University of Helsinki
