Pęknięty bozon – o cząstce Higgsa i jej rozpadach

LHC zaszalał i dostarczył mi świetnego pretekstu do powtórnego chwycenia za wątek najsławniejszej cząstki elementarnej ostatniego półwiecza. Tym razem jednak skupimy się nie na samym mechanizmie działania bozonu Higgsa, lecz na zjawisku jego rozpadu.

Małe przypomnienie: o czym mowa?

Choćbyś kompletnie ignorował doniesienia ze świata nauki, na pewno nie ominęła Cię wrzawa z czerwca 2012 roku. Pokaźna drużyna fizyków obsługująca Wielki Zderzacz Hadronów potwierdziła teoretyczne rozważania, snute w poprzednich dekadach przez Françoisa Englerta, Roberta Brouta, Carla Hagena i oczywiście Petera Higgsa. Było to potężne osiągnięcie, które utwierdziło fizyków co do obranego kursu. Wszystkie media obwieściły nowinę o schwytaniu cząstki, która “nadaje materii masę”.

Oczywiście standardowo, była to zaledwie pół-, a może nawet ćwierćprawda. W rzeczywistości Higgs i inni teoretycy poszukiwali puzzla, który pozwoliłby im dostrzec pełny obraz funkcjonowania oddziaływania słabego. To jedno z czterech oddziaływań podstawowych, przede wszystkim pośredniczące w procesie promieniotwórczości. Pewne braki w opisie funkcjonowania tego oddziaływania, przekonały badaczy do przyjęcia hipotezy o istnieniu  jakiegoś pola skalarnego (i związanej z nim cząstki) o niezerowym ładunku słabym, co w elegancki sposób przywracałoby porządek w równaniach. 

Cząstka Higgsa i jej społeczny odbiór

Przy okazji, sprzężenie z polem Higgsa miało też odpowiadać za fenomen masy. Jednak to znowu jaskrawe uproszczenie, bowiem wbrew powszechnym notkom prasowym, cząstka Higgsa wcale nie jest winna temu, że boimy się stanąć na wadze. Przebojowy bozon nadaje masę wyłącznie cząstkom elementarnym. Elektrony, kwarki, nawet neutrina, wchodząc w interakcję z polem Higgsa rzeczywiście przestają być bezmasowe i nie mogą poruszać się z prędkością równą lub większą od światła. Być może zauważasz tu pewną pozorną nielogiczność. Przecież pole Higgsa obdarza cząstki masą, cząstki te budują atomy, a atomy materię – a więc pośrednio higgsony wydają się wpływać na Twoją masę. Jednak, co dość zaskakujące, masa całego atomu pozostaje o wiele, wiele, wiele większa od jego części składowych, czyli elektronów i siedzących w jądrze kwarków. Kojarzysz zasadę wymienialności masy na energię i energii na masę? W takim razie wiedz, że grubo ponad 99% masy atomu – a co za tym idzie materii budującej nasze ciała – pochodzi właśnie z energii. Przede wszystkim z energii wiązań oraz energii kinetycznej towarzyszącej kotłującym się wewnątrz protonów i neutronów kwarków.

Rozgadałem się, a miało nie być o mechanizmach działania. Dlatego, jeśli potrzebujesz dłuższego wstępu, odsyłam Cię do starszego artykułu na ten temat. Teraz natomiast proponuję zająć się obiecanymi rozpadami bozonu Higgsa.

Zawsze się rozpada

Ostatnie odkrycie LHC dotyczyło zaobserwowania rozpadu higgsonu na dwa kwarki niskie (fizycy o bardziej wrażliwej naturze nazywają je kwarkami pięknymi). Już na początku musisz wiedzieć, że sam fakt rozpadu “boskiej cząstki”, nie jest ani niespodzianką ani nowością. Tak naprawdę większość cząstek elementarnych – zwłaszcza tych masywnych – to byty mocno nietrwałe, niezdolne do samodzielnej egzystencji trwającej choćby pełną sekundę. Nie inaczej rzecz ma się z higgsonem.

Co dokładnie dzieje się w rurze akceleratora cząstek elementarnych? Przyjmijmy, że mamy do dyspozycji dwa protony. To dodatnio naładowane cząstki, zalegające w jądrze każdego istniejącego atomu i zbudowane zawsze z trzech kwarków. Wykorzystując pole magnetyczne rozpędzamy obie drobiny do prędkości rzędu 0,99999999 prędkości światła i bezwzględnie doprowadzamy do ich czołowego zderzenia. Powstaje miniaturowa masakra, w ramach której dochodzi do wysypu ogromnej liczby nowych cząstek i – przy odrobinie szczęścia – zaburzenia sprzężonego z nimi pola kwantowego – pola Higgsa. Wynikiem kraksy będzie krótkotrwałe wyodrębnienie kwantu tego pola skalarnego. Jednak niemal natychmiast, po chwili krótszej niż 1,6 x 10-22 sekundy, nagi higgson ulega rozpadowi na inne cegiełki. Pytanie za sto punktów: co może wyłonić się z nieuchwytnego, ale bardzo masywnego bozonu? Fizyka ma tę piękną cechę, że w każdym możliwym miejscu operuje twardymi zasadami logiki i symetrii. Stąd teoretycy już dawno temu potrafili przewidzieć, co powinno wykluć się z takiego rozpadu.

Jednakże istnieje pewien haczyk. Pamiętaj, że znajdujemy się w świecie zjawisk kwantowych, gdzie możemy wyliczyć z całkiem dużą dokładnością prawdopodobieństwo zajścia poszczególnych zdarzeń, ale nie otrzymamy gwarancji ich wystąpienia. Istnieje więc wiele możliwych scenariuszy takiego rozpadu, choć jedne występują częściej a inne zdecydowanie rzadziej.

To wszystko ma ogromne znaczenie dla całej fizyki cząstek elementarnych. Kiedy uczeni tropią konkretny obiekt z wykorzystaniem monstrualnej aparatury, nigdy nie strzelają na ślepo. Znają masę poszukiwanej cząstki, energię przy jakiej powinna się ujawnić oraz inne charakteryzujące ją liczby – ale również domyślają się jak powinien przebiegać jej rozpad. Nawet jeśli kwantowa ruletka dopuszcza zajście kilku możliwych scenariuszy, to jednak niektóre da się w obliczeniach wykluczyć. Tworzy to dość niekomfortową sytuację. Uchwycenie rozpadu kompletnie niepasującego do teorii może ją łatwo pogrzebać, podczas gdy rozpad prawidłowy nie przesądza jej prawdziwości. Choć mocno ją uprawdopodabnia.

Cząstka Higgsa może błysnąć

Czytając powyższe słowa możesz się zastanawiać, czy w przypadku poprzednich detekcji również zaobserwowano jakieś rozpady? Odpowiedź brzmi twierdząco. Najnowsze doniesienia nie mówią o pierwszym zarejestrowanym rozpadzie cząstki Higgsa, lecz konkretnie o pierwszym przypadku rozpadu na kwarki niskie. Tymczasem pionierskie badanie, zwieńczone publikacją z 2012 roku, związane było z innymi rozpadami, w dodatku dość nietypowymi.

Cząstka Higgsa i kanały jej rozpadu

Teoria skrupulatnie wylicza na co i w jakich warunkach rozkłada się higgson. Przy energii około 125 GeV (gigaelektronowoltów) z “boskiej cząstki” w około 60% przypadków wyłoni się para kwark-antykwark niski. W rzadszych scenariuszach odnotujemy powstanie bozonów W (nośników oddziaływania słabego), gluonów (uczestniczących w oddziaływaniu silnym), taonów (masywnych kuzynów elektronów) i innych egzotycznych drobin, o których nie uczono Cię w szkole. Jedną z najmniej prawdopodobnych sytuacji, choć niewykluczoną, pozostaje przemiana higgsonu w parę fotonów. Zgodnie z przewidywaniami istnieje jakieś 0,2% szansy zarejestrowania w takim procesie wysokoenergetycznych fotonów błysku gamma (w końcu bozon jest ciężki, więc może wyzwolić sporo energii). I wyobraź sobie, że w pierwszych zderzeniach, które pozwoliły zidentyfikować bozon Higgsa, towarzyszyło właśnie takie mignięcie światła.

Niezły przypadek, prawda? Otóż nie do końca. Fakt faktem, emisja fotonów zdarza się dość rzadko, ale jednocześnie pozostawia wyraźniejszy ślad od innych rozpadów. To trochę jak z obserwacją nieba: 3/4 gwiazd naszej galaktyki to niezbyt imponujące, chłodne czerwone karły, jednak na nieboskłonie podziwiamy przede wszystkim dorodne olbrzymy. Choć są znacznie rzadsze, ich światło przebija się do nas mimo dystansu tysięcy lat świetlnych. W uproszczeniu oznacza to, iż podczas rozkwaszania cząstek w akceleratorze może wypływać wiele rozpadających się higgsonów, ale tylko niektóre swoimi błyskami skutecznie ściągają uwagę aparatury, podczas gdy reszta zanika niezauważenie.

Wirtualne rozpady

Przejście bozonu Higgsa w kwanty światła jest również ciekawe z innego powodu. Zwróć uwagę Czytelniku, że nasz bozon w odróżnieniu od fotonu (dotyczy to również gluonu), posiada masę – i to niemałą. Dziwne wydaje się również to, że higgson wypuszcza z siebie nośniki pola elektromagnetycznego, samemu nie nosząc ładunku elektrycznego. Innymi słowy, w normalnych warunkach cząstka Higgsa kompletnie ignoruje fotony i gluony z wzajemnością, dlatego jakiekolwiek interakcje między nimi mają prawo zaskakiwać. Jednak prawa fizyki nie wykluczają takich aberracji, ponieważ ani fotony, ani gluony nie wyskakują z higgsonu w sposób bezpośredni.

Wiele przemian zachodzących w mikroświecie odbywa się przy gościnnym udziale enigmatycznych bytów zwanych cząstkami wirtualnymi. Nie będziemy w tym miejscu rozpracowywać kwantowej teorii pola, ale powinieneś być świadomy, że wszędzie w przestrzeni bez przerwy rodzą się i giną losowe fluktuacje, mające niebagatelny wpływ na wiele zachowań obiektów w najmniejszej skali. Cząstki wirtualne pośredniczą m.in. w przenoszeniu oddziaływania silnego między nukleonami, jak również w rozpadach swobodnych neutronów zmieniających się w protony. W interesującym nas kontekście pojawiają natomiast wirtualne pary kwark-antykwark wysoki.

Rozpad cząstki Higgsa na fotony i leptony

Są to niezwykle ciężkie skurczybyki, bez porównania dorodniejsze od obecnych w atomach kwarków górnych i kwakrów dolnych, a nawet od wspomnianych kwarków niskich. Do ich otrzymania potrzeba energii przekraczającej 170 GeV – więc jak może zauważyłeś, większej od 125 GeV, których wymagało uchwycenie bozonu Higgsa. Z tych wartości łatwo wywnioskować, że taki bozon nie powinien rozpaść się na kwarki wysokie. Równie dobrze moglibyśmy wymagać od jamnika urodzenia pary dorodnych mastifów. Tu z pomocą przychodzi zasada nieoznaczoności Heisenberga, zakazująca dokładnego określania pewnych wielkości fizycznych – w tym przypadku precyzyjnego oznaczenia energii w odpowiednim odcinku czasowym. Pozwala to na kreację wirtualnych cząstek z wykorzystaniem energii “pożyczonej” od próżni, pod warunkiem jej szybkiego zwrotu.

W ten sposób bozon Higgsa przechodzi przemianę w parę ociężałych kwarków wysokich, które w mgnieniu oka same znikają pozostawiając po sobie fotony lub gluony. To usprawnia cały proces. Kwark posiada dodatni ładunek elektryczny, a antykwark ładunek ujemny, dzięki czemu cały układ wychodzi na zero – tak jak w przypadku ładunku higgsona. Kwantowa ruletka dopuszcza też inne warianty, jak na przykład przemianę higgsonu w cztery leptony – parę elektronów i parę mionów – przy udziale wirtualnego bozonu Z.

Nie będziemy jednak wchodzić w dalsze szczegóły wszystkich dostępnych możliwości. Zamiast tego przejdźmy wreszcie do znacznie powszechniejszych (przynajmniej teoretycznie) rozpadów na kwarki niskie.

Kwarki niskie potwierdzają

Wiemy już, że rozkład bozonu Higgsa na fotony albo leptony – z pośrednictwem cząstek wirtualnych – zdarza się w zaledwie kilku przypadkach na tysiąc, ale przynajmniej stosunkowo łatwo je dostrzec. Fizycy mówią czasem o “kanałach” danej cząstki oraz o “tle”. Kanał to swego rodzaju ścieżka przemian towarzyszących poszukiwanemu obiektowi, z kolei tło stanowią inne cząstki i związane z nimi procesy pojawiające się przy detekcji. Pamiętaj, że obsługujący Wielki Zderzacz Hadronów badacze nie rozpędzają pojedynczych protonów, lecz ich wiązki, które wpadając na siebie pod różnymi kątami, doprowadzają do wysypu całej menażerii różnorakich drobin. Zdecydowana większość z nich jest nieistotna i tworzy zbędny szum, utrudniający wyłowienie poszukiwanego obiektu. Kanały “fotonowe” i “leptonowe”, szczęśliwie charakteryzują się stosunkowo niewielkim zanieczyszczeniem, które łatwo spenetrować identyfikując poszczególne cząstki.

Odnalezienie bozonu Higgsa

Z poszukiwanym kanałem “kwarkowym” rzecz ma się dokładnie odwrotnie. To wręcz nagminne zjawisko, tyle że obarczone ogromnym zanieczyszczeniem tła i przez to trudne do wyłapania. Sytuacja dość paradoksalna, bowiem utożsamiliśmy namierzoną w 2012 roku cząstkę o spinie zerowym z bozonem Higgsa, na dobrą sprawę nie widząc jej najbardziej standardowego rozpadu. Oczywiście eksperyment przyniósł bardzo precyzyjne rezultaty, ale wciąż nie pozwalały naukowcom spocząć na laurach.

Dlatego polowanie trwa nadal i prędko się nie skończy. Kolejna runda rozpoczęła się w 2015 roku, wraz z powtórnym rozruchem największego akceleratora cząstek na Ziemi i doczekała się szczęśliwego finału pod postacią publikacji z sierpnia 2018. Analiza danych zebranych podczas kolejnych kolizji protonów, wykazała obecność śladów upragnionego rozpadu bozonu Higgsa na kwarki niskie. Odnotowano proces, który zgodnie z obliczeniami powinien następować aż w 60% przypadków objawień bozonu Higgsa. Tym samym uzyskano nowy, bardzo solidny dowód tożsamości słynnej cząstki. Przy okazji połechtano ego fizyków teoretycznych, których prognozy znów okazały się słuszne. 

Co czeka LHC i higgsona w przyszłości? Ta zabawa nigdy nie ma końca. Większości postulowanych wariacji rozkładu higgsona wciąż nie widzieliśmy. Dalsze zderzenia i gromadzenie jak największej liczby danych, pozwoli w końcu na zestawienie uzyskanych rozpadów ze statystyką wynikającą z teorii. Każde odchylenie od normy, jak i każde potwierdzenie przypuszczeń mówi nam coś o fizycznej rzeczywistości mikroświata. Albo doczekamy się kolejnego wzmocnienia pozycji modelu standardowego, albo trafimy na jakąś anomalię. Ta ostatnia opcja mogłaby zwiastować istnienie rodzeństwa bozonu Higgsa i niewątpliwie ucieszyłaby zwolenników symetrii konforemnej, supersymetrii i innych nowatorskich hipotez. W każdym razie, o “boskiej cząstce” usłyszymy jeszcze nie raz i nie dwa.

Literatura uzupełniająca:
L. Lederman, C. Hill, Dalej niż boska cząstka, przeł. U. Seweryńska, Warszawa 2015;
R. Vega-Morales, Shining Light on the Higgs Boson, [online: https://particlebites.com/?p=2815];
M. Strassler, Seeking and Studying the Standard Model Higgs Particle, [online: https://profmattstrassler.com/articles-and-posts/the-higgs-particle/the-standard-model-higgs/seeking-and-studying-the-standard-model-higgs-particle/];
M. Strassler, Higgs Decay to Unknown Spin-One Particles, [online: https://profmattstrassler.com/articles-and-posts/the-higgs-particle/non-standard-decays-of-the-observed-higgs-particle/higgs-decay-to-unknown-spin-one-particles/];
Long-sought decay of Higgs boson observed, [online: https://phys.org/news/2018-08-long-sought-higgs-boson.html];
K. Meissner, wykład Czy boska cząstka ma rodzeństwo?, [online: https://youtube.com/watch?v=LfZIUH8KJiA&feature=youtu.be].
Z wykładu: Cząstka Higgsa – Koniec pewnej historii Castle Bravo – bardzo pechowa eksplozja 7 powodów, dla których świat pokochał Carla Sagana