יום ראשון, 10 במרץ 2013

היגס - מהלך הצטברות הראיות בגלאי אטלס


לפני כמה ימים שחרר צוות גלאי ATLAS מ-CERN את כל הסיכומים בנוגע לתהליך גילוי חלקיק ההיגס. בין השאר שוחררו ארבע אנימציות נאות הממחישות את הצטברות הראיות מרגע תחילת הניסוי ועד לסגירתו בדצמבר האחרון, שתיים מהן בחרתי לשבץ כאן. ההסברים המצורפים מטה הם "הסברים מסדר ראשון" משום שזה פחות או יותר מה שאני מבין היום בהקשר הזה בהיבט הפנומנולוגי...

ארוע \(H^{0}\to\gamma\gamma\) שנקלט בגלאי CMS


האנימציה הראשונה מתייחסת לתוצאות בערוץ בו חלקיק היגס מתפרק לשני פוטונים באינטראקציה חלשה. מאין זה מגיע? כזכור, מאיץ LHC מנגיש פרוטונים (באנרגיות של \(7-8\;\text{Tev}\) במערכת מרכז המסה), ואלה מצידם מורכבים מקוורקים וגלואונים. ובכן, הערוץ הנדון מתחיל במה שנקרא היתוך גלואוני לזוג קוורק-אנטי קוורק (בעיקר הקוורק טופ היות והוא הכבד ביותר) ואלו מעוררים אקסיטציה בשדה ההיגס. ומדוע אנו זקוקים ללולאת טופ-אנטי-טופ? מדוע הגלואונים עצמם לא מעוררים אקסיטציה כזו? הסיבה לכך נעוצה בעובדה שההיגס אינו נושא מטען של צבע ולכן אינו מגיב באינטראקציות חזקות, בעוד שהגלואונים נושאים אך ורק מטען של צבע. הקוורקים מגיבים גם בחזקות וגם בחלשות ולכן מתאימים לתווך בין הגלואונים לבין ההיגס. חלקיק ההיגס עצמו כמובן אינו יציב והוא מתפרק בערך בעשר במינוס עשרים וחמש ושתיים שניות. כלאמר אורך חייו במערכת המנוחה הוא כעשירית של אלפית של מיליארדית של מיליארדית השנייה. בתום הזמן הזה הוא מתפרק באינטראקציה חלשה בתהליך יצירת לולאה בוזונית מסוג \(WW^{\ast}\); בלולאה זו לפחות אחד מחלקיקי ה-W וירטואלי היות ו- \(m_{H}<2m_{W}\). הלולאה הזו קצרת חיים היא עד מאוד (כאלפית מחיי ההיגס), והיא מתפרקת לזוג פוטונים. אגב, את הלולאה הבוזונית באגף ימין אפשר להחליף בלולאה קוורקית מסוג טופ אלא שהמסלול הזה נדיר פי חמש. גרפית נוכל לתאר זאת כך:

\(2g\stackrel{\Delta_{t}}{\longrightarrow} H^{0}\stackrel{\Delta_{W}}{\longrightarrow}2\gamma\)

החשבונאות של התנע בלולאת ההיתוך הגלואוני. לקוח מכאן.

באנימציה מטה ציר ה-Y מונה את מספר הארועים בהם נרשמו שני פוטונים בגלאי, והוא מתעדכן על ציר הזמן (שאינו מופיע כאן במפורש אלא כתאריך רץ על פני שלושה עשר חודשים). ציר ה-X מתאר את המסה האינווריאנטית של שני הפוטונים הנפלטים בתהליך. כל נקודה על הגרף מתארת מספר ארועים מצטבר לערך נתון של מסה אינווריאנטית, ברזולוציה של \(1\;\text{Gev}\). קפיצה במספר הארועים בנקודה כלשהי בציר זה (מעל רעש הרקע) מתארת רזוננס אשר מסת המנוחה שלו שווה למסה האינווריאנטית של שני הפוטונים בנקודה זו. חלק הארי של הארועים בהם מתקבל זוג פוטונים, מגיע מתהליכים שאינם קשורים כלל בהמצאותו של חלקיק ההיגס. הקו הכחול הרציף מתאר את הארועים הנחזים על ידי המודל הסטנדרטי ללא ערוץ התפרקות ההיגס. שימו לב להתאמה המדהימה של התוצאות המתקבלות לקו זה, והיא מאיירת יפה את ההצלחה הפנומנלית של המודל בחיזוי הארועים הללו. הבאמפ ההולך ומתפתח באנרגיה של \(126.8\;\text{Gev}\) מתאר סטייה מהמודל הסטנדרטי נטול ההיגס, והקו האדום מתאר את אותו מודל בתוספת ערוץ התפרקות ההיגס בהינתן מסת המנוחה הניצפת מתוך הבאמפ. עם התאמה כזו תוספת הקידומת "דמוי-" לכינוי "היגס" נראית כמעט כמו טרחנות מאולצת... בפועל, הטרחנות הכרחית.


היגס לשני פוטונים - סקאלה צפה

נראה לכם שהסיגנל חלש? ובכן, חזק מספיק בכדי להצביע על חלקיק דמוי-היגס בוודאות של חמש סטיות תקן סטנדרטיות (כלומר הסיכוי שמדובר בפלקטואציה אקראית קטן מאחד לשלושה מיליון). חיזוקים נוספים לכך שלא מדובר בפלקטואציה מתקבלים מערוצי התפרקות נוספים, וכמובן גם מגלאי CMS הפועל באופן בלתי תלוי לחלוטין. מדוע דמוי-היגס ולא היגס? משום שעדיין אין ודאות שהחלקיק שהתגלה נושא את כל אותן תכונות המגדירות את ההיגס ככזה; כך למשל עדיין לא סגור סופית שמדובר בחלקיק בעל ספין אפס, אם כי מאט שטרסלר טוען אצלו בבלוג שהתוצאות המצטברות מאטלס ומגלאי CMS מבטלות את האפשרות לספין שתיים ברמת ודאות גבוהה למדי של יותר מ-95% ו-98.5% בהתאמה. האם מדובר אם כך בהיגס או שמא במתחזה להיגס? בדיקות נוספות שתערכנה בעתיד יעודן להכריע בסוגייה סופית.


כך נראה אירוע  \(H^{0}\to2\gamma\) ע"ג הצגים
במרכז הבקרה של הגלאי אטלס.


בערוץ ההתפרקות השני ההיגס מייצר ארבעה לפטונים, למשל זוג אלקטרון-פוזיטרון וזוג מיואון-אנטי-מיואון, או שני זוגות של מיואון-אנטי-מיואון וכדומה. כיצד מתרחש התהליך? ובכן, כמו מקודם גם ערוץ זה מתחיל בהיתוך של גלואונים ללולאה קוורקית מסוג טופ-אנטי-טופ המעוררת אקסיטציה בשדה ההיגס. אלא שעתה ההיגס מתפרק (באינטראקציה חלשה כמובן) לצמד הבוזונים \(ZZ^{\ast}\), אחד מהם מעל קליפת המסה, השני מתחת, היות ומסת ההיגס איננה משתווה לפעמים מסת ה-Z. כל אחד מבוזוני ה-Z מתפרק ללפטון-אנטי-לפטון (אלקטרון, מיואון) המשאירים עקבות בגלאים השונים. הנה הדיאגרמה המתאימה בערוץ זה:

\(2g\stackrel{\Delta_{t}}{\longrightarrow}H^{0}\longrightarrow{Z}Z^{\ast}\longrightarrow2\times\bar{\ell}\ell\)

ומה מראה האנימציה ששוחררה מאטלס? גם כאן ציר ה-Y סופר את מספר הארועים המצטבר עם הזמן, וציר ה-X מתאר את המסה האינווריאנטית, הפעם של ארבעת הלפטונים. דיאגרמת העמודות האדומה מייצגת את הצפי לארועים מסוג זה ללא התערבות ההיגס (כלומר ללא ערוץ ההתפרקות של ההיגס לארבעה לפטונים), דיאגרמת העמודות הסגולה מתארת את צפי הארועים בהם מתקבלת מקלחת של לפטונים בתוספת טופ-אנטי-טופ, והדיאגרמה המאויירת בתכלת מתארת את הצפי לארועים המתקבלים בתוספת ערוץ ההתפרקות ההיגסי עם מסת מנוחה סביב ה- \(125\;\text{Gev}\)... 


היגס לארבעה לפטונים - סקאלה צפה


...וזהו תיעוד אירוע \(H^{0}\to4e\) בגלאי אטלס. 

עידכון 17/3: תוצאות דומות התקבלו בגלאי CMS, ומתוך כל הנתונים ניתן לומר במידה לא מועטה של בטחון (אבל עדיין לא בודאות) שהבוזון שנתגלה נראה כמו ההיגס של המודל הסטנדרטי, ומגעגע כמו ההיגס של המודל הסטנדרטי. עם זאת עדיין קיימת אפשרות שזוהי רק סנונית ראשונה (ולא ברווז ראשון...) בשרשרת של היגסים בתסריט בו המכניזם של שדה ההיגס מורכב יותר משחשבו תחילה. ימים יגידו. הנה דברי הסיכום של ג'ו אינקנדלה, דובר קבוצת CMS:

“The preliminary results with the full 2012 data set are magnificent and to me it is clear that we are dealing with a Higgs boson though we still have a long way to go to know what kind of Higgs boson it is...".
ואלו דבריו של דייב צ'רלטון, דובר אטלס:
"The beautiful new results represent a huge effort by many dedicated people. They point to the new particle having the spin-parity of a Higgs boson as in the Standard Model. We are now well started on the measurement program in the Higgs sector..."


1/4/2013 עוד גרפים מעניינים שיבצתי בבלוג "רשימות בפיזיקה עיונית" תחת הכותרת "סיכומים מאטלס - תקציר הדברים".  אם יהיו עידכונים נוספים בעתיד, קרוב לודאי שהם יופיעו שם.




8 תגובות:

  1. יפה!
    תודה רבה
    אולי אכתוב על כך בבלוג שלי "חופשי ומאושר"
    ראה- שדות היגס לנצח - בחיפוש אחר הסימטריה האלוהית
    http://www.tapuz.co.il/blog/net/ViewEntry.aspx?EntryId=2349239

    ניר להב

    השבמחק
    תשובות
    1. תודה ניר, ותודה על הקישור. כמי שמאמין ובוטח בהשגחה בכל לב ומוצא בה יהב-אמת, אני מסתייג מהצמדת שם התואר 'אלוהי' לכל מה שקשור בעולם התופעות. אבל מעבר לזה, המכניזם של ההיגס הוא מכניזם אד-הוק ובאיזשהו מקום אם לא תמצא מאחריו סיבה מהותית, איזשהו עקרון יסוד עמוק, או אם לא ינוסח מחדש כנובע מתוך תורה עמוקה יותר, הוא יראה בעיני נטע זר בתוך הקונספט היפה הזה של תורות כיול לוקאליות... (אני סבור שיבוא ניסוח או תיקון כזה, יש לי יסוד להאמין בכך מתוך היכרותי עם הנושא במהלך עבודת הדוקטורט). ברשותך הוספתי קישור לבלוג שלך ברשימת הקישורים מצד שמאל.

      מחק
    2. תודה עופר!
      תודה על הוספת הקישור לבלוג שלי אצלך!
      כפי שאני מסביר בפוסט שלי השם "אלוהי" יש לו רק משמעות סמלית שמסמלת את הרצון שלנו להבין את התיאוריה של הכל.
      ניר

      מחק
    3. דרך אגב
      לא מצאתי איך להירשם לקבלת עדכונים על פוסטים בבלוג השני שלך, רשימות בפיסיקה עיונית ולא מצאתי איפה בעצם פרסמת את הלינק לבלוג שלי..

      מחק
    4. שלום ניר,
      גש לכאן:
      http://ofer-megged-phys-notes.blogspot.co.il/
      הקש על הכרטיסיה התחתונה ברשימת הכרטיסיות הצמודות לצלע הימני של דף הבית ותמצא קישור לבלוג שלך... מתעדכן אוטומטית וסדר הופעת הקישורים לפי עידכון אחרון. הכרטיסיה השנייה ברשימה תאפשר לך עידכון אוטומטי.

      מחק
    5. תודה, נרשמתי לעדכון, אך לגבי קישור לבלוג שלי, אין לו קישור שם
      ניר
      http://www.tapuz.co.il/blog/net/userBlog.aspx?FolderName=freenl

      מחק
  2. כששמעתי על הגילוי הזה החלטתי שאני אברר את העניין בבלוג שלך, ולא אכזבת :)
    תמשיך כך!
    -תלמיד לשעבר

    השבמחק