Cum sondează fizicienii bosonul Higgs la 10 ani de la descoperirea sa

Javier Duarte și-a început cariera științifică asistând la cel mai mare eveniment din fizica particulelor din ultimele decenii. La 4 iulie 2012, oamenii de știință de la laboratorul CERN de lângă Geneva au anunțat descoperirea bosonului Higgs, particula subatomică mult căutată care dezvăluie originile masei. Duarte era un student absolvent entuziast care tocmai sosise la CERN.

„Am fost fizic acolo poate cu o săptămână înainte de anunț”, spune Duarte. În timp ce mulțimea zbuciumată de fizicieni se înghesuia să urmărească anunțul de la CERN, Duarte nu a reușit să ajungă în auditoriul principal. Acel spațiu era destinat VIP-urilor – și celor suficient de hotărâți să stea la coadă toată noaptea pentru a prinde un loc. În schimb, spune el, s-a trezit la subsol, într-o sală de depășire a unei săli de depășire.

Dar entuziasmul era încă palpabil. „A fost un moment foarte interesant să te scufunzi în acea lume”, spune el. De atunci, el și mii de alți fizicieni din întreaga lume care lucrează la experimentele CERN au mers până la capăt explorând proprietățile particulei.

Oamenii de știință au prezis existența bosonului Higgs încă din 1964, ca o caracteristică a procesului care conferă masă particulelor elementare. Dar descoperirea particulei a trebuit să aștepte până la Large Hadron Collider, sau LHC, al CERN. În 2010, LHC a început să ciocnească protoni la energii extrem de mari, în timp ce două experimente de mari dimensiuni, ATLAS și CMS, au folosit detectoare masive pentru a examina resturile.

Descoperirea particulei a completat cheia de boltă lipsă din modelul standard al fizicii particulelor. Această teorie explică particulele elementare cunoscute și interacțiunile lor. Aceste particule și interacțiuni stau la baza a aproape tot ceea ce știm. Particulele servesc ca elemente constitutive ale atomilor și transmit forțe cruciale ale naturii, cum ar fi electromagnetismul. Iar masa acestor particule este esențială pentru comportamentul lor. Dacă electronii ar fi lipsiți de masă, de exemplu, atomii nu s-ar forma. Prin urmare, fără bosonul Higgs, una dintre cele mai de succes teorii ale oamenilor de știință s-ar prăbuși.

Descoperirea bosonului Higgs a dominat titlurile din întreaga lume. Aproximativ o jumătate de milion de oameni au urmărit anunțul transmis în direct, iar imagini de la eveniment au apărut în peste 5.000 de programe de știri. Chiar și amănuntele ciudate au ajuns în presă, câteva articole analizând utilizarea de către fizicieni a fontului Comic Sans, adesea disprețuit, în prezentarea lor. Puțin mai mult de un an mai târziu, descoperirea a adus un premiu Nobel pentru doi dintre oamenii de știință care au dezvoltat teoria din spatele bosonului Higgs, François Englert și Peter Higgs – de la care provine numele particulei.

Pe 4 iulie 2012, la laboratorul european de fizică a particulelor CERN, oamenii de știință au anunțat descoperirea bosonului Higgs. Fizicianul Lyn Evans (în picioare, al doilea din stânga), care a condus construcția Large Hadron Collider, sărbătorește alături de foști directori CERN.Denis Balibouse/AFP/GettyImages

Acum, când descoperirea împlinește 10 ani, acel entuziasm inițial persistă pentru Duarte și mulți alți fizicieni de particule. În calitate de profesor la Universitatea din California, San Diego și membru al experimentului CMS, cercetările lui Duarte încă se învârt în jurul particulei extrem de importante. Progresul în înțelegerea Higgs a fost „uimitor”, spune el. „Am ajuns mult mai departe decât ne așteptam să ajungem”.

Fizicienii au lucrat la o listă de verificare a lucrurilor pe care doresc să le știe despre bosonul Higgs. Ei și-au petrecut ultimul deceniu catalogându-i proprietățile, inclusiv modul în care interacționează cu mai multe alte particule. Deși până acum măsurătorile au fost în concordanță cu predicțiile făcute de modelul standard, dacă în viitor apare o discrepanță, aceasta ar putea însemna că există particule necunoscute care nu au fost încă descoperite.

Și mai sunt și alte subiecte pe ordinea de zi. Un punct deosebit de important este interacțiunea bosonului Higgs cu el însuși. Pentru a ajuta la stabilirea acestei proprietăți și a altor proprietăți Higgs, oamenii de știință așteaptă cu nerăbdare să colecteze mai multe date. În aprilie, oamenii de știință au pornit un LHC modernizat pentru o nouă rundă de lucru. La momentul descoperirii Higgs, coliziunile la LHC atingeau o energie de 8 trilioane de electroni volți. Se așteaptă ca, începând cu 5 iulie, coliziunile să se desfășoare la o energie record de 13,6 trilioane de electroni volți, iar colectarea de date va continua până în 2026. Aceste energii mai mari oferă oportunități de a descoperi particule mai grele. Iar LHC de mare luminozitate, o iterație mai puternică a LHC, este așteptat să înceapă să funcționeze în 2029.

„Descoperirea unei particule, sună ca și cum ar fi sfârșitul a ceva, dar de fapt este doar începutul”, spune fizicianul de particule experimentale María Cepeda de la CIEMAT din Madrid, membru al colaborării CMS.

Cuplarea

Studierea bosonului Higgs este ca și cum ar fi geocaching, spune fizicianul teoretician de particule Gudrun Heinrich de la Institutul de Tehnologie Karlsruhe din Germania. La fel cum pasionații folosesc un dispozitiv GPS pentru a descoperi o ascunzătoare de bibelouri distractive, fizicienii își folosesc inteligența pentru a descoperi comoara bosonului Higgs. În 2012, oamenii de știință doar au localizat ascunzătoarea; următorii 10 ani au fost dedicați dezvăluirii conținutului acesteia. Iar această investigație continuă. „Speranța este că conținutul va conține ceva de genul unei hărți care ne ghidează spre o comoară și mai mare”, spune Heinrich.

Studiul detaliat al bosonului Higgs ar putea ajuta oamenii de știință să rezolve misterele pe care modelul standard nu reușește să le explice. „Știm că teoria are limitări”, spune fizicianul teoretician de particule Laura Reina de la Florida State University din Tallahassee. De exemplu, modelul standard nu are nicio explicație pentru materia întunecată, o substanță obscură care își aruncă greutatea în jurul cosmosului, exercitând o atracție gravitațională necesară pentru a explica o varietate de observații astronomice. De asemenea, teoria nu poate explica alte dileme, cum ar fi de ce universul este compus în principal din materie și nu din alter ego-ul său, antimateria. Multe dintre soluțiile propuse pentru a remedia deficiențele modelului standard necesită noi particule care ar modifica modul în care Higgs interacționează cu particulele cunoscute.

Bosonul Higgs în sine nu este responsabil pentru masă. În schimb, aceasta este sarcina câmpului Higgs. Conform fizicii cuantice, toate particulele sunt de fapt niște puncte în câmpuri invizibile, ca niște valuri pe un iaz. Bosonii Higgs sunt umflături în câmpul Higgs, care străbate întregul cosmos. Atunci când particulele elementare interacționează cu câmpul Higgs, acestea capătă masă. Cu cât particula este mai masivă, cu atât interacționează mai puternic cu câmpul Higgs și cu bosonul Higgs. Particulele fără masă, cum ar fi fotonii, nu interacționează deloc direct cu câmpul Higgs.

Una dintre cele mai bune modalități de a căuta comori legate de Higgs este de a măsura aceste interacțiuni, cunoscute sub numele de „cuplări”. Cuplajele Higgs descriu în ce particule se dezintegrează bosonul Higgs, ce particule pot fuziona pentru a produce bosoni Higgs și cât de des au loc aceste procese. Oamenii de știință măsoară aceste cuplări prin examinarea și analiza ploilor de particule produse atunci când bosonii Higgs apar în resturile de la spargerea protonilor.

Chiar dacă particulele necunoscute sunt prea grele pentru a apărea la LHC, cuplajele Higgs ar putea dezvălui existența lor. „Oricare dintre aceste cuplări care nu este ceea ce te aștepți să fie este un semn foarte clar că în spatele ei se află o fizică nouă incredibil de interesantă”, spune fizicianul de particule Marumi Kado de la Universitatea Sapienza din Roma și CERN, care este purtătorul de cuvânt adjunct al colaborării ATLAS.

Diagrama experimentului ATLAS
Experimentul ATLAS a fost unul dintre cele două detectoare care au detectat semnele definitive ale bosonului Higgs. În acest eveniment, înregistrat la 10 iunie 2012 și prezentat aici în trei vederi diferite, o particulă Higgs candidată se dezintegrează în patru muoni (urme roșii).Experimentul ATLAS © 2012 CERN (CC BY-SA 4.0)

Fizicienii au verificat deja cuplajele cu mai multe particule elementare. Acestea includ ambele clase majore de particule din fizică: bosoni (particule care poartă forțe) și fermioni (particule care alcătuiesc materia, cum ar fi electronii). Oamenii de știință au măsurat interacțiunile lui Higgs cu o rudă grea a electronului numită lepton tau (un fermion) și cu bosonii W și Z, particule care transmit forța slabă, responsabilă pentru unele tipuri de dezintegrare radioactivă. Cercetătorii au stabilit, de asemenea, cuplajele lui Higgs cu quarkul top și quarkul bottom. Acestea sunt două dintre cele șase tipuri de quarcuri, care se unesc în particule mai mari, cum ar fi protonii și neutronii. (Higgs este responsabil pentru masa particulelor elementare, dar masa particulelor compozite, inclusiv a protonilor și neutronilor, provine în schimb în principal din energia particulelor care se mișcă în interiorul lor).

Cuplajele măsurate până în prezent implică particulele elementare mai grele ale modelului standard. De exemplu, quarcul de top este la fel de greu ca un întreg atom de aur. Deoarece Higgs se cuplează mai puternic cu particulele grele, aceste interacțiuni tind să fie mai ușor de măsurat. În continuare, oamenii de știință doresc să observe cuplajele particulelor mai ușoare. ATLAS și CMS au folosit detectoarele lor gigantice pentru a vedea indicii ale dezintegrării Higgs în muoni, fratele mijlociu din familia electronilor, mai ușor decât tau, dar mai greu decât electronul. Echipele au început, de asemenea, să verifice cuplarea cu quarcurile charm, care sunt mai puțin masive decât quarcurile top și bottom.

Până în prezent, Higgs s-a conformat modelului standard. „Marele lucru pe care l-am descoperit este că arată destul de mult așa cum ne așteptam. Nu au existat mari surprize”, spune fizicianul teoretician de particule Sally Dawson de la Brookhaven National Laboratory din Upton, New York.

Dar ar putea exista discrepanțe care pur și simplu nu au fost detectate încă. Predicțiile modelului standard sunt în concordanță cu cuplajele măsurate în cadrul unor bare de eroare de aproximativ 10 procente sau mai mult. Dar nimeni nu știe dacă acestea sunt în concordanță cu 5 procente sau 1 procent. Cu cât oamenii de știință pot măsura cu mai multă precizie aceste cuplaje, cu atât mai bine vor putea testa dacă există ceva ciudat.

Unicat

Înainte de pornirea LHC, oamenii de știință aveau un favorit clar pentru o teorie a fizicii care ar putea rezolva unele dintre problemele modelului standard: supersimetria, o clasă de teorii în care fiecare particulă cunoscută are o particulă parteneră nedescoperită. Fizicienii au sperat că astfel de particule vor apărea la LHC. Dar niciuna nu a fost găsită până acum. Deși supersimetria nu este complet exclusă, posibilitățile teoriei sunt mult mai limitate.

Neexistând un candidat consensual printre multe alte teorii pentru ceea ce ar putea fi dincolo de modelul standard, o mare parte din atenție se concentrează pe Higgs. Fizicienii speră că studiile asupra lui Higgs vor dezvălui ceva care ar putea indica direcția corectă pentru a descâlci unele dintre încurcăturile modelului standard. „Măsurarea [the Higgs boson’s] proprietăți ne va spune mult mai multe despre ceea ce se află dincolo de modelul standard … decât orice altceva până acum”, spune Reina.

O întrebare pe care oamenii de știință o investighează în cadrul smashup-urilor LHC este dacă Higgs este cu adevărat unic. Toate celelalte particule elementare cunoscute au o formă cuantică de moment unghiular, cunoscută sub numele de spin. Dar Higgs are un spin de zero, ceea ce este cunoscut sub numele de „scalar”. Alte tipuri de particule au tendința de a fi grupate în familii, așa că nu este ciudat să ne imaginăm că bosonul Higgs ar putea avea rude scalare. „S-ar putea să existe un sector scalar uriaș care se ascunde undeva și tocmai am văzut prima particulă a acestuia”, spune Heinrich. Supersimetria prezice existența mai multor bosoni Higgs, dar există o mulțime de alte idei care prevăd complici ai lui Higgs.

De asemenea, este posibil ca Higgs să nu fie de fapt elementar. Se știe că combinațiile de particule, cum ar fi quarcii, alcătuiesc particule mai mari cu spin zero. Poate că Higgs, la fel ca și ceilalți scalari, este alcătuit din lucruri mai mici încă necunoscute.

În timp ce vânează aceste răspunsuri, fizicienii vor urmări îndeaproape orice legătură între comportamentul lui Higgs și alte rezultate recente derutante. În 2021, experimentul Muon g-2 de la Fermilab din Batavia, Illinois, a raportat indicii că muonii au proprietăți magnetice care nu sunt în concordanță cu predicțiile modelului standard. Iar în aprilie, oamenii de știință din cadrul experimentului CDF – care a studiat coliziunile de particule la Fermilab până în 2011 – au descoperit că masa bosonului W este mai grea decât prezice modelul standard.

Relativa noutate a bosonului Higgs face ca acesta să fie pregătit pentru descoperiri care ar putea ajuta la rezolvarea acestor dileme. „Bosonul Higgs este cea mai puțin explorată particulă elementară și ar putea fi o ușă către alte mistere pe care încă trebuie să le descoperim sau să facem lumină”, spune Heinrich.

fotografie a detectorului CMS
Detectorul CMS, unul dintre detectoarele care a descoperit bosonul Higgs, a fost modernizat înainte de o nouă serie de coliziuni de particule care a început anul acesta la Large Hadron Collider.Samuel Joseph Hertzog/CERN

Vorbirea de sine

Pentru a rezolva enigmele spinoase, fizicienii vorbesc uneori cu ei înșiși. În mod corespunzător, o altă enigmă care se află în fruntea listei de lucruri de făcut a oamenilor de știință cu privire la Higgs este dacă particula, de asemenea, vorbește cu ea însăși.

Această „auto-cuplare”, modul în care bosonii Higgs interacționează unul cu celălalt, nu a fost măsurată niciodată până acum. Dar „se dovedește a fi într-adevăr un barometru incredibil al noii fizici”, spune fizicianul teoretician de particule Nathaniel Craig de la Universitatea din California, Santa Barbara. De exemplu, măsurarea autocuplării Higgs ar putea descoperi particule ascunse care interacționează doar cu Higgs, fără a ține cont de celelalte particule din modelul standard.

Autocuplul Higgs este strâns legat de potențialul Higgs, o suprafață ondulată, în formă de sombrero, care descrie energia câmpului Higgs care pătrunde în univers. În universul timpuriu, acest potențial a determinat modul în care particulele fundamentale au căpătat masă, atunci când câmpul Higgs s-a activat pentru prima dată.

Cum anume s-a produs această tranziție de la lipsa de masă la masă are implicații importante pentru cosmos. Aceasta ar putea ajuta la explicarea modului în care materia a câștigat avantajul asupra antimateriei în universul timpuriu. Dacă câmpul Higgs a jucat într-adevăr acest rol la începuturile universului, spune Craig, „va lăsa niște amprente pe potențialul Higgs pe care îl măsurăm astăzi”.

În funcție de forma completă a sombrero-ului potențialului Higgs, la un moment dat, într-un viitor extrem de îndepărtat, câmpul Higgs s-ar putea schimba din nou, așa cum a făcut-o în universul timpuriu. Un astfel de salt ar schimba masele particulelor fundamentale, creând un univers în care caracteristicile familiare, inclusiv viața, sunt probabil șterse.

Pentru a înțelege mai bine potențialul Higgs, oamenii de știință vor încerca să măsoare auto-cuplul. Ei vor face acest lucru căutând bosoni Higgs produși în perechi, semn că Higgs interacționează cu el însuși. Se crede că acest lucru se întâmplă la mai puțin de o miime din rata la care sunt produși bosonii Higgs individuali în LHC, ceea ce face ca acest lucru să fie extrem de dificil de măsurat.

Chiar și cu LHC-ul planificat de înaltă luminozitate, care va colecta în cele din urmă de aproximativ 10 ori mai multe date decât LHC, oamenii de știință prevăd că autocuplările vor fi măsurate cu bare de eroare mari, de aproximativ 50%, presupunând că modelul standard este corect. Acest lucru nu este suficient pentru a tranșa problema.

Dacă oamenii de știință fac doar ceea ce sunt pe cale să facă, „nu vom reuși”, spune Duarte. Dar noile tehnici ar putea permite fizicienilor să identifice mai bine evenimentele dublu-Higgs. Duarte studiază coliziunile în care doi bosoni Higgs de energie deosebit de mare se dezintegrează fiecare în câte un quarc inferior și un anticarc inferior. Folosind o tehnică specializată de învățare automată, Duarte și colegii săi au realizat una dintre cele mai sensibile analize de până acum ale acestui tip de dezintegrare.

Prin îmbunătățirea acestei tehnici și prin combinarea rezultatelor cu cele obținute de alți cercetători care analizează diferite tipuri de dezintegrări, „avem o speranță bună că vom fi capabili să observăm [the self-coupling] definitiv”, spune Duarte.

Ilustrație a potențialului Higgs sub forma unui sombrero
Potențialul Higgs poate fi reprezentat ca o suprafață în formă de sombrero care descrie energia câmpului Higgs. La un moment dat, în universul timpuriu, energia câmpului a scăzut de la o valoare mai mare în vârful sombrero-ului la o energie mai mică în puțul sombrero-ului (ilustrat). Acesta este momentul în care particulele au dobândit masă.John Ellis/arXiv.org 2013, CERN, adaptat de E. Otwell

Joc de așteptare

În ciuda pasiunii sale pentru Higgs, Duarte remarcă faptul că au existat dezamăgiri. După primul avânt al anunțului Higgs, „speram ca în fiecare an să se facă o descoperire de nivel Higgs”. Acest lucru nu s-a întâmplat. Dar el nu și-a pierdut optimismul. „Ne așteptăm să mai apară încă o întorsătură de situație”, spune el. „Încă sperăm că este după colț”.

Așteptarea unei noi fizici nu este un șoc pentru veteranii vânătorii de particule anterioare. Meenakshi Narain, fizician de particule la Universitatea Brown din Providence, R.I., și membru al experimentului CMS, era student universitar în perioada în care a fost descoperit quarcul bottom în anii 1970. După această descoperire, Narain s-a alăturat căutării quarcului top. Chiar dacă fizicienii erau convinși de existența particulei, această vânătoare a durat totuși aproape 20 de ani, spune ea. Și a fost nevoie de aproape 50 de ani pentru a descoperi bosonul Higgs după ce acesta a fost postulat.

Defectele modelului standard îi fac pe fizicieni să fie încrezători că trebuie să existe mai multe comori de dezgropat. Datorită experiențelor sale anterioare cu procesul de lungă durată al descoperirii, Narain spune: „Am multă încredere”.