Gdyby tak faktycznie było, bozon ten powinien się rozpadać w charakterystyczny sposób, z udziałem egzotycznych cząstek. W Instytucie Fizyki Jądrowej PAN wykazano, że jeśli do takich rozpadów rzeczywiście dochodzi, będzie można je obserwować we właśnie projektowanych następcach akceleratora LHC.

W fizyce wysokich energii istnieje pojęcie „ukrytej doliny”. Mianem tym określa się zbiór modeli rozszerzających zestaw znanych już cząstek elementarnych. W modelach tych cząstki naszego świata, opisane przez Model Standardowy, należą do grupy o małych energiach, a cząstki egzotyczne do grupy o dużych energiach.

Z rozważań teoretycznych wynika, że słynny bozon Higgsa mógłby rozpadać się z udziałem cząstek egzotycznych, jednak dotychczas, mimo wielu lat poszukiwań, nie udało się tego zaobserwować w akceleratorze LHC.

Naukowcy z IFJ PAN uważają jednak, że rozpady Higgsa na egzotyczne cząstki Ukrytej Doliny będą mogły być świetnie widoczne w akceleratorach, które staną się następcami Wielkiego Zderzacza Hadronów. Oczywiście, o ile rozważane modele okażą się zgodne z rzeczywistością. Swoje wnioski opisali w artykule, który ukazał się na łamach pisma "Journal of High Energy Physics". Prezentują w nim najnowsze analizy i symulacje dotyczące możliwości detekcji rozpadów Higgsa w planowanych zderzaczach elektronów i pozytonów.

„W modelach Ukrytej Doliny mamy dwie grupy cząstek rozdzielone barierą energetyczną - tłumaczy cytowany w informacji prasowej prof. Marcin Kucharczyk, główny autor artykułu. - Teoria głosi, że mogłyby wówczas istnieć egzotyczne cząstki, które w odpowiednich okolicznościach byłyby zdolne tę barierę przekraczać. Cząstki takie jak bozon Higgsa czy hipotetyczny bozon 'Z' pełniłyby rolę komunikatorów między cząstkami obu światów. Bozon Higgsa, jedna z najbardziej masywnych cząstek Modelu Standardowego, jest dobrym kandydatem na taki komunikator”.

Jak wyjaśnia profesor, komunikator po przejściu w region niskich energii rozpadałby się na dwie dość masywne cząstki egzotyczne, zaś każda z nich - w ciągu zaledwie pikosekund, czyli bilionowych części sekundy – rozpadałaby się na kolejne dwie cząstki, o jeszcze mniejszych masach, mieszczących się już w obrębie Modelu Standardowego. Jakich więc oznak należałoby się spodziewać w detektorach przyszłych akceleratorów? Autorzy artykułu wyjaśniają, że sam bozon Higgsa pozostałby niezauważony, podobnie jak obie cząstki z Ukrytej Doliny, jednak rozpadnięte cząstki egzotyczne (najczęściej na pary kwark-antykwark piękny) byłyby już widoczne w detektorach w postaci strumieni cząstek oddalonych od osi wiązek.

„Obserwacje rozpadów bozonów Higgsa polegałyby zatem na poszukiwaniach strumieni cząstek pochodzących z par kwark-antykwark. Następnie należałoby wstecznie odtworzyć ich tory ruchu w celu znalezienia miejsc, gdzie prawdopodobnie doszło do rozpadu cząstek egzotycznych. Miejsca te, fachowo nazywane wierzchołkami rozpadu, powinny pojawiać się w parach i być w charakterystyczny sposób przesunięte względem osi wiązek zderzających się w akceleratorze. Wielkość tych przesunięć zależy bowiem między innymi od mas i średnich czasów życia cząstek egzotycznych pojawiających się w trakcie rozpadu Higgsa” - mówi współautor omawianej publikacji, mgr inż. Mateusz Goncerz.

W największym obecnie światowym akceleratorze, czyli LHC, energia zderzeń protonów sięga kilkunastu teraelektronowoltów, co teoretycznie wystarcza do wyprodukowania bozonów Higgsa zdolnych przekroczyć barierę energetyczną oddzielającą nasz świat od Ukrytej Doliny. Niestety, co podkreślają badacze, protony nie są cząstkami elementarnymi, tylko składają się z trzech kwarków walencyjnych powiązanych oddziaływaniami silnymi, zdolnymi generować ogromne ilości ciągle się pojawiających i znikających cząstek wirtualnych, w tym par kwark-antykwark.

Tak dynamiczna i złożona budowa wewnętrzna powoduje, że w zderzeniach protonów powstają ogromne liczby cząstek wtórnych, w tym wiele kwarków i antykwarków o dużych masach. Tworzą one tło, w którym znalezienie cząstek pochodzących z poszukiwanych rozpadów bozonu Higgsa na egzotyczne cząstki Ukrytej Doliny staje się praktycznie niemożliwe.

Wykrycie ewentualnych rozpadów bozonów Higgsa do takich stanów powinny radykalnie poprawić akceleratory przyszłości, które już teraz projektowane są jako następcy LHC. Będą to: liniowy zderzacz CLIC (Compact Linear Collider) oraz kołowy FCC (Future Circular Collider). W obu urządzeniach będzie można zderzać elektrony z ich antymaterialnymi partnerami, czyli pozytonami. Elektrony i pozytony są zaś pozbawione budowy wewnętrznej, zatem tło dla egzotycznych rozpadów bozonów Higgsa powinno być tu słabsze niż w LHC. Pytanie tylko, czy będzie dostatecznie słabe?

W swoim najnowszym badaniu fizycy z IFJ PAN uwzględnili najważniejsze parametry projektowanych akceleratorów CLIC oraz FCC i wyznaczyli prawdopodobieństwo, z jakim w zderzeniach elektron-pozyton pojawiałyby się egzotyczne rozpady bozonów Higgsa ze stanami końcowymi w postaci czterech kwarków i antykwarków pięknych. Aby przewidywania obejmowały szerszą grupę modeli, masy i średnie czasy życia cząstek egzotycznych rozważano w odpowiednio szerokich zakresach wartości.

Wnioski okazały się zaskakująco - według samych autorów - pozytywne. „Wszystko wskazuje na to, że w przyszłych zderzaczach elektronów z pozytonami tło rozpadów Higgsa może zostać zredukowane wręcz radykalnie, aż o kilka rzędów wielkości, a w niektórych przypadkach będzie można je nawet zaniedbać” - zaznaczają.

Dodają, że istnienie cząstek-komunikatorów jest możliwe nie tylko w modelach Ukrytej Doliny, ale też w innych rozszerzeniach Modelu Standardowego. Jeśli więc detektory przyszłych akceleratorów zarejestrują sygnaturę odpowiadającą rozpadom bozonów Higgsa analizowanym przez krakowskich badaczy, będzie to tylko pierwszy krok na drodze do poznania „nowej fizyki”. Kolejnym krokiem będzie zaś zgromadzenie odpowiednio dużej liczby przypadków i wyznaczenie głównych parametrów rozpadu, które będzie można porównać z przewidywaniami poszczególnych modeli cząstek nowej fizyki.

„Główny wniosek płynący z naszej pracy ma zatem wymiar czysto praktyczny - podsumowuje prof. Kucharczyk. - Nie mamy pewności, czy cząstki nowej fizyki zaangażowane w rozpady bozonu Higgsa będą należały do użytego przez nas modelu Ukrytej Doliny. Potraktowaliśmy jednak ten model jako reprezentatywny dla wielu innych propozycji modeli nowej fizyki i wykazaliśmy, że jeśli zgodnie z jego przewidywaniami bozony Higgsa rozpadają się na cząstki egzotyczne, to zjawisko to powinno być doskonale widoczne już w tych zderzaczach elektronów i pozytonów, których uruchomienie jest planowane w bliskiej przyszłości”.

Omawiane badania sfinansowano z grantu OPUS przyznanego przez Narodowe Centrum Nauki. (PAP)

kap/ bar/