La noile acceleratoare de particule, generația acceleratoarelor după actualul LHC, vor fi studiate procese de dezintegrare ale bosonului Higgs, care ne-ar putea dezvălui o lume necunoscută. Dezintegrările acestui boson ar putea să se producă și în particule pe care încă nu le-am descoperit, ce ar putea avea legătură inclusiv cu materia întunecată.

Bosonul Higgs

Descoperirea bosonului Higgs, în 2012, de către experimentele de la marele accelerator de particule de la CERN, Large Hadron Collider (LNC), prin măsurarea particulelor în care acest boson se dezintegrează, a reprezentat un enorm succes al fizicii particulelor elementare și, în același timp, o confirmare minunată a Modelului Standard. Experimentele ATLAS și CMS au descoperit acest boson care era prevăzut de teorie în urmă cu circa 50 de ani. Descoperirea bosonului confirmă mecanismul care generează masa particulelor elementare. Bosonul Higgs însă ar putea să ne ducă într-o lume necunoscută, la viitoarele acceleratoare de particule.

Cum a fost descoperit bosonul Higgs?

Bosonul Higgs a fost descoperit prin măsurarea particulelor în care se dezintegrează, deoarece viața medie a bosonului este extrem de scurtă, ceea ce înseamnă că nu-l putem măsura în mod direct (nu ajunge la detectoarele noastre). Bosonul era produs în urma interacțiunilor fasciculelor de protoni de la acceleratorul LHC la energii foarte mari. Protonii sunt compuși din quarci – particule elementare în cadrul Modelului Standard. În momentul în care se ciocnesc protonii la energii mari, quarcii dintr-un proton interacționează cu quarcii din celălalt și dau naștere unor noi particule, printre care și bosonul Higgs. Acesta se dezintegrează în alte particule, care pot, la rândul lor, se se dezintegreze în alte particule. Tocmai acest proces i-a încurajat pe cercetători să analizeze cu atenție posibilele dezintegrări ale bosonului Higgs – dezintegrări care ne-ar putea duce într-o lume necunoscută.

Bosonul Higgs s-ar putea dezintegra în particule necunoscute

Într-un articol publicat recent în Journal of High Energy Physics, se analizează posibila dezintegrare a bosonului Higgs în particule încă necunoscute. Aceste particule – care ar putea avea de-a face inclusiv cu materia întunecată – ar avea o viață medie scurtă și s-ar putea dezintegra în quarci precum quarcii grei, așa-numiții „bottom” (sau „beauty”). Quarcii ar genera jeturi de particule măsurate de detectoare. Aceste jeturi ar lua deci naștere la o anumită distanță față de punctul de interacțiune a fasciculelor care, în urma ciocnirilor, ar genera bosonii Higgs care se dezintegrează în particulele necunoscute. Tocmai această distanță ne-ar ajuta să înțelegem caracteristicile noilor particule, precum masa și durata de viață.

Unde s-ar putea face acest studiu?

Din păcate, este extrem de greu, dacă nu imposibil, de efectuat acest studiu la LHC. Ciocnirea protonilor generează foarte multe particule în starea finală și acestea ne „orbesc”, adică acoperă eventualul semnal generat de dezintegrarea bosonilor Higgs în noi particule. Pentru a studia acest proces este nevoie de acceleratoare mai „curate”, precum cele în care în locul protonilor, care sunt compuși din alte particule elementare, s-ar ciocni electroni – particule elementare în cadrul Modelului Standard. Ciocnirile de electroni ar putea produce bosoni Higgs care se dezintegrează în multe moduri diverse, printre care ar putea să fie și cel amintit (în particule încă necunoscute). La ora actuală, se plănuiește să se construiască noi acceleratoare – precum CLIC (Compact Linear Collider) sau FCC (Future Circular Collider). La aceste acceleratoare, prin studiul bosonului Higgs s-ar putea ajunge la descoperirea unor noi particule.

La ce folosește?

O eventuală descoperire indirectă a unor noi particule în care se dezintegrează bosonul Higgs ne-ar ajuta să înțelegem care este modelul dincolo de Modelul Standard al fizicii particulelor elementare. Acesta, la rândul lui, ne-ar putea ajuta să înțelegem din ce este compusă materia întunecată și, eventual, să aflăm dacă există sau nu o teorie cuantică a gravitației.

Articol scris de Cătălina Curceanu, director de cercetare în domeniul fizicii particulelor elementare şi al fizicii nucleare, Laboratori Nazionali di Frascati, Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (Roma, Italia) şi Luminiţa Costea, profesor la Colegiului Naţional „Mihai Viteazul”, Sfântu Gheorghe.