Η ανακάλυψη του σωματιδίου “Higgs” – πείραμα ATLAS / LHC του CERN

31 Αυγούστου 2012

Η δρ. Θεοδότα Λάγουρη, μια ελληνίδα επιστήμων που διαπρέπει στο εξωτερικό, μας εισάγει στα μυστικά του μικρόκοσμου του σωματιδίου Higgs μέσα από την προσωπική της εμπειρία.

Το άρθρο συντάχθηκε ΑΠΟΚΛΕΙΣΤΙΚΑ για την ΠΕΜΠΤΟΥΣΙΑ

Επιμέλεια: Αιμιλία Βικτωράτου, χημικός – καθηγήτρια Μ.Ε.

Ενώ τελείωνα τη συγγραφή αυτού του άρθρου πληροφορήθηκα ότι μόλις στείλαμε προς δημοσίευση τα τελευταία αποτελέσματα του πειράματος μας, ATLAS, τα οποία συμπεριελάμβαναν και ένα τρίτο κανάλι διάσπασης (σε δύο W μποζόνια), που δείχνουν 5,9 sigma-βεβαιότητα. Αυτό ισοδυναμεί μόλις σε 1 στα 550 εκατομμύρια πιθανότητα, απειροελάχιστη δηλαδή, να μην υπάρχει Higgs και παρόλα αυτά να έχουμε τέτοιο σήμα. Στην φυσική υψηλών ενεργειών το sigma (σ) περιγράφει την βεβαιότητα μιας ανακάλυψης. Έτσι 1-sigma σημαίνει ότι τα αποτελέσματα μπορεί να είναι μία στατιστική διακύμανση των δεδομένων, 3-sigma μεταφράζεται σε ένδειξη και το αποτέλεσμα 5- sigma πρόκειται για ανακάλυψη.

Όπως είναι γνωστό, από τις 4 Ιουλίου το πείραμα στο οποίο συμμετέχω το ΑΤLAS (A Toroidal LHC Apparatus) ένα από τα δύο βασικά πειράματα του LHC (Large Hadron Collider: Μεγάλος Επιταχυντής Αδρονίων – το άλλο είναι το CMS: Compact Muon Solenoid), ανακοίνωσε επίσημα την ανακάλυψη νέου σωματιδίου, τύπου μποζονίου Higgs, σε ένα σεμινάριο οργανωμένο από κοινού στο CERN στη Γενεύη και μέσω τηλεδιάσκεψης στη Διεθνή Διάσκεψη Φυσικής Υψηλών Ενεργειών ICHEP στην Μελβούρνη της Αυστραλίας.

Στο CERN λοιπόν, παρουσιάστηκαν τα πρώτα αποτελέσματα σε όλους τους επιστήμονες που βρισκόμασταν εκεί και μέσω τηλεδιάσκεψης στους συναδέλφους μας σε εκατοντάδες ινστιτούτα σε όλο τον κόσμο. Η ατμόσφαιρα ήταν πολύ συγκινητική όταν μετά το τέλος των ομιλιών των εκπροσώπων των δύο πειραμάτων του ATLAS, Fabiola Gianotti, και CMS Joe Incandela και παρόντων των εμπνευστών της θεωρίας για το Higgs, και του ιδίου του Peter Higgs (του Πανεπιστημίου του Εδιμβούργου που την πρότεινε αρχικά στη δεκαετία του ’60 για να εξηγήσει γιατί η ύλη έχει μάζα), ο διευθυντής του CERN Rolf Heuer δήλωσε ότι με βάση τα αποτελέσματα αυτά φαίνεται ότι το βρήκαμε!

Ας εξηγήσω όμως πρώτα τι είναι ο επιταχυντής LHC και το πείραμα ATLAS καθώς και το τι είναι το σωματίδιο Higgs.

Εικόνα 1. To LHC (Large Hadron Collider) ATLAS Experiment © 2012 CERN

Το LHC είναι ο μεγαλύτερος επιταχυντής πρωτονίων στον κόσμο που έχει γίνει μέχρι σήμερα, όπου συγκρούονται πρωτόνια με πρωτόνια. Το LHC είναι εγκατεστημένο σε ένα τούνελ μήκους 27 χιλιομέτρων, σε βάθος 100 μέτρων, διασχίζοντας τα σύνορα Γαλλίας- Ελβετίας. Το LHC είναι φτιαγμένο με την τελευταία λέξη της τεχνολογίας, όπως και οι 4 ανιχνευτές όπου διεξάγονται διάφορα πειράματα, ATLAS, CMS, ALICE και LHCb (όπως φαίνονται στην εικ. 1).

Το LHC είναι σχεδιασμένο να επιταχύνει δύο δέσμες πρωτονίων, ενέργειας 7 TeV (1 TeV=1012 eV) η κάθε μία, μέσα σε ισχυρό πεδίο υπεραγώγιμων μαγνητών (οπότε μηδενίζονται οι απώλειες ενέργειας λόγω τριβής) με συνολική ενέργεια στο σημείο σύγκρουσης τα 14 TeV. Το πρωτόνιο που ταξιδεύει σχεδόν με την ταχύτητα του φωτός καλύπτει τον δακτύλιο των 27 km ~11.000 φορές το δευτερόλεπτο.

Εικόνα 2: Ο ανιχνευτής ATLAS έχει 25 μέτρα ύψος, 44 μέτρα μήκος και ζυγίζει περίπου 7.000 τόνους. ATLAS Experiment © 2012 CERN

Το πείραμα ATLAS στον επιταχυντή LHC (όπως φαίνεται στην εικ. 2), είναι ένας τεράστιος ανιχνευτής, μεγέθους ενός πενταόροφου κτιρίου αλλά και καταπληκτικής ικανότητας να μετρά ίχνη σωματιδίων με ακρίβεια του μm (10-6 m) δηλαδή 0,001 του χιλιοστού.

To πείραμα ATLAS είναι το «εργαλείο» όπως ένα μικροσκόπιο για τη μελέτη της δομής της ύλης στη μικρότερη κλίμακα που έχει επιτευχθεί μέχρι σήμερα, 10 φορές μικρότερη από οποιοδήποτε προηγούμενο πείραμα, της τάξης των 10-15 m (fm).

Το ATLAS είναι ένας ανιχνευτής που σκοπό έχει να εκμεταλλευτεί όλο το φάσμα της φυσικής που παρέχεται από το Μεγάλο Επιταχυντή Αδρονίων (LHC). Μετρά τις ενέργειες, τις διευθύνσεις καθώς και την ταυτότητα των σωματιδίων που παράγονται από τις συγκρούσεις των δύο δεσμών πρωτονίων. Γίνονται γύρω στο 109 συγκρούσεις πρωτονίων στο δευτερόλεπτο αλλά καταγράφονται τελικά τα πιο ενδιαφέροντα γεγονότα φυσικής, περίπου εκατό στο δευτερόλεπτο.

To ATLAS, με έξι διαφορετικά συστήματα ανιχνευτών, αποτελείται από τρία κύρια μέρη:

  • Τον εσωτερικό ανιχνευτή, που μετρά την ορμή του κάθε φορτισμένου σωματιδίου.
  • Το καλορίμετρο, που μετρά τις ενέργειες των σωματιδίων.
  • Το φασματόμετρο μιονίων, που αναγνωρίζει μιόνια και μετρά τις ορμές τους. Επίσης, ένα τεράστιο μανητικό σύστημα βοηθάει στη μέτρηση της ορμής των φορτισμένων σωματιδίων.

Το πείραμα ATLAS κάνει έρευνες εκτός από το μποζόνιο Higgs και για τις έξτρα διαστάσεις και τα τυχόν υπερσυμμετρικά σωματίδια, σαν συστατικά της σκοτεινής ύλης. Στο πείραμα ATLAS συμμετέχουν περίπου 3.000 φυσικοί από 176 ινστιτούτα και 38 διαφορετικές χώρες σε όλο τον κόσμο. Επίσης πάνω από 1.000 φοιτητές εκπονούν την διατριβή τους σε αυτό το πείραμα.

Παρόλο που το LHC και τα δύο βασικά πειράματα ATLAS και CMS κατασκευάστηκαν με τέτοιο τρόπο, ώστε να ανακαλύψουν το σωματίδιο Higgs, γνωρίζαμε ότι δεν θα ήταν εύκολη υπόθεση. Πρώτα από όλα δεν γνωρίζαμε την μάζα αυτού του σωματιδίου, αλλά μόνο την περιοχή ενεργειών όπου θα μπορούσε να βρεθεί. Επίσης, το να δημιουργηθεί ένα τέτοιο μποζόνιο είναι αρκετά σπάνιο γεγονός και χρειάζονται εκατομμύρια συγκρούσεις το δευτερόλεπτο, μεταξύ των δεσμών πρωτονίου-πρωτονίου στο LHC. Ακόμα και αν δημιουργηθεί είναι δύσκολο να ανιχνευτεί από τα προϊόντα διάσπασής του, γιατί μοιάζουν με αυτά των γεγονότων του υποστρώματος.

Το Higgs παίζει σημαντικό ρόλο στη θεωρία του Καθιερωμένου Προτύπου, μια πολύ επιτυχή θεωρία της φυσικής, που περιγράφει τα στοιχειώδη σωματίδια της ύλης, όπως κουάρκς, λεπτόνια (όπως το ηλεκτόνιο) και τις τρεις θεμελιώδεις δυνάμεις με τις οποίες αλληλεπιδρούν (ηλεκτρομαγνητική, ασθενής και ισχυρή πυρηνική δύναμη) (όπως φαίνεται στην εικ.3). Το καθιερωμένο πρότυπο σχεδιάστηκε μέσα ένα πλαίσιο γνωστό ως Κβαντική Θεωρία Πεδίου η οποία μας δίνει τα εργαλεία για να χτίσει τις θεωρίες σύμφωνες και με την Κβαντική Μηχανική και την Ειδική Θεωρία της Σχετικότητας.

Στο Καθιερωμένο Πρότυπο, οι μάζες των σωματιδίων προκύπτουν ως αποτέλεσμα των αλληλεπιδράσεών τους με το πεδίο Higgs. Επίσης, είναι δυνατό να ανιχνευθούν οι διεγέρσεις αυτού του πεδίου υπό τη μορφή σωματιδίου, γνωστού ως μποζόνιο Higgs.

Εικόνα 3. Στοιχειώδη σωμάτια, οι δυνάμεις και οι φορείς τους

Με βάση πάντα το Καθιερωμένο Μοντέλο της σωματιδιακής Φυσικής, στις πρώτες στιγμές του Κόσμου, τα γνωστά στοιχειώδη σωματίδια, όπως είναι τα ηλεκτρόνια ή τα κουάρκ απέκτησαν τη μάζα τους μέσω του μηχανισμού Higgs. Με την προσθήκη μιας μεγάλης ποσότητας ενέργειας σε έναν πολύ μικρό χώρο, είναι δυνατός ο εξαναγκασμός σε «εμφάνιση» του σωματιδίου Higgs. Με άλλα λόγια, πιστεύουμε ότι ολόκληρο το σύμπαν διαπερνάται από ένα «πεδίο Higgs», το οποίο σχετίζεται με ένα τουλάχιστον σωματίδιο, το μποζόνιο Higgs.

Σε αυτό το πλαίσιο, όλα τα σωματίδια της ύλης που γνωρίζουμε αποκτούν μάζα μέσω της αλληλεπίδρασης τους με αυτό το πεδίο. Κι όσο περισσότερο αλληλεπιδρά ένα σωματίδιο με το πεδίο Higgs, τόσο μεγαλύτερη αντίσταση συναντά στην κίνησή του και κατά συνέπεια τόσο μεγαλύτερη μάζα αποκτά.

Η αλληλεπίδραση ενός σωματιδίου και του πεδίου Higgs προσφέρει ένα πλεόνασμα δυναμικής ενέργειας Higgs στο σωματίδιο και αυτό αντιστοιχεί στη μάζα του σωματιδίου. Οι δε διαφορετικές μάζες των σωματιδίων εξηγούνται αν δεχθούμε ότι αυτά αλληλεπιδρούν με το πεδίο Higgs με διαφορετική ισχύ, το γιατί όμως οι αλληλεπιδράσεις διαφορετικών σωματιδίων με το πεδίο Higgs είναι διαφορετικές παραμένει άλυτο πρόβλημα μέχρι σήμερα.

Το μποζόνιο Higgs είναι ένα ασταθές σωματίδιο που ζει ελάχιστα κλάσματα του δευτερολέπτου προτού διασπαστεί σε άλλα σωματίδια, έτσι αναμένεται να διασπάται γρήγορα σε διαφορετικούς συνδυασμούς σωματιδίων, κοινώς λεγομένων «καναλιών διάσπασης», με κατανομή (των προϊόντων) ανάλογα με την μάζα του. Στα πειράματά μας, μπορεί να εντοπισθεί μόνο μέσω της ανίχνευσης των προϊόντων της διάσπασής του. Τα προϊόντα της διάσπασης του Higgs που δεν είναι μοναδικά, μπορεί να είναι δύο μποζόνια Ζ ή δύο μποζόνια W ή δύο b κουάρκς ή άλλα σωματίδια όπως δύο φωτόνια.

Στο πείραμα ATLAS, η προσπάθεια μας επικεντρώθηκε σε δύο συμπληρωματικά κανάλια: το κανάλι διάσπασης του μποζονίου Higgs σε δύο φωτόνια και το κανάλι διάσπασής του σε τέσσερα λεπτόνια (εικ.4 και εικ.5). Αυτά τα δύο κανάλια παρέχουν την πιο υψηλή ακρίβεια μέτρησης της μάζας του μποζονίου. Ωστόσο, το κανάλι των δύο φωτονίων δίνει ένα μέτριο σήμα επί ενός εκτεταμένου αλλά μετρήσιμου υπόβαθρου, ενώ το κανάλι των τεσσάρων λεπτονίων δίνει ένα μικρό σήμα με πολύ χαμηλό υπόβαθρο.

Από την ανάλυση των πειραματικών δεδομένων, διαπιστώσαμε ότι και τα δύο κανάλια παρουσιάζουν σημαντικό στατιστικό μέγιστο στο ίδιο σημείο, στην μάζα των 126 GeV περίπου.

Θα πρέπει να εξηγήσω, ότι η μονάδα μάζας GeV που χρησιμοποιούμε στη φυσική υψηλών ενεργειών στην πραγματικότητα μετράει ενέργεια, και αντιστοιχεί σε 109 eV. Επίσης, το TeV ισοδυναμεί σε 1.000 GeV. To LHC, για παράδειγμα, τώρα δουλεύει στα 8 TeV. Η ενέργεια λοιπόν μπορεί να χρησιμοποιηθεί και για μέτρηση της μάζας. Η περίφημη φόρμουλα του Einstein E=m.c2 μας λέει ότι ενέργεια (E) και μάζα (m) μπορούν να χρησιμοποιηθούν, είτε το ένα είτε το άλλο, καθώς η ταχύτητα του φωτός c, είναι σταθερή.

Συνδυάζοντας τα αποτελέσματα από τα δυο κανάλια, βρήκαμε στο ATLAS, με τη βοήθεια στατιστικών μεθόδων ότι η ένδειξη της ύπαρξης του νέου σωματιδίου έχει βεβαιότητα 5-sigma (σ) δηλαδή πιθανότητα μόνο δύο στα 10 εκατομμύρια να προέρχεται από ένα τυχαίο γεγονός.

Τα αποτελέσματα αυτά αποτελούν την συνέχεια των προηγούμενων αναλύσεών μας, που παρουσιάστηκαν στο σεμινάριο του περασμένου Δεκεμβρίου και δημοσιεύτηκαν στην αρχή του χρόνου. Τα αποτελέσματα του Δεκεμβρίου, ήταν βασισμένα στα δεδομένα συγκρούσεων (πρωτονίων) σε χαμηλότερη ενέργεια στα 7 TeV, και είχαν συλλεχθεί το 2011. Και πάλι εντόπιζαν την μάζα του μποζονίου Higgs σε δύο στενά “παράθυρα” στην περιοχή των 117 GeV και 129 GeV περίπου. Μια μικρή υπεροχή γεγονότων, πάνω από το αναμενόμενο υπόβαθρο, έδειχνε ήδη και στα δύο πειράματα, ATLAS και CMS, προτίμηση γύρω στα 125 GeV.

Πράγματι, η ομάδα μας στο Yale, με επικεφαλής τον καθηγητή Oliver Keith Baker, συμμετείχε στην συλλογή και στην ανάλυση των δεδομένων, ειδικότερα για το κανάλι διάσπασης του μποζονίου Higgs σε δύο μποζόνια Ζ και μετά σε τέσσερα λεπτόνια (δύο από διάσπαση κάθε μποζονίου Ζ), το αποκαλούμενο “Χρυσό κανάλι” – “Golden channel”. Χρησιμοποιώντας, τόσο καθιερώμενες μεθόδους ανάλυσης όσο και πιο σύγχρονες μεθόδους ταξινόμησης των δεδομένων (MVA), βλέπαμε ήδη από τα δεδομένα του 2011 ενδείξεις για την ύπαρξη γεγονότων που σχημάτιζαν μια μικρή κορυφή πάνω από το υπόστρωμα (με την βοήθεια πάντα προσομοιωμένων γεγονότων).

Εικόνα 4. Διάσπαση υποψήφιου μποζονίου Higgs σε τέσσερα μιόνια καταγεγραμμένα από τον ανιχνευτή ATLAS το 2012. ATLAS Experiment © 2012 CERN

Το μποζόνιο Higgs ήταν το τελευταίο κομμάτι του παζλ, τώρα που έχουμε εντοπίσει ένα σωματίδιο που φαίνεται να είναι το μποζόνιο Higgs, έχουμε μια συνεπή θεωρία του Καθιερωμένου Προτύπου, που θα μας επιτρέψει να “περιγράψουμε” το σύμπαν. Υπάρχουν μερικά πράγματα που μας κάνουν να σκεφτούμε ότι αυτή δεν μπορεί να είναι η απόλυτα τελική θεωρία -για παράδειγμα δεν περιλαμβάνει τη βαρύτητα- αλλά είναι μια πολύ καλή περιγραφή του σύμπαντος. Τώρα ερχόμαστε πιο κοντά στην κατανόηση του σύμπαντος και τη φυσική που εμπλέκεται στα αρχικά στάδια δημιουργίας του.

Τα επόμενα στάδια, για το πείραμα ATLAS, τον επιταχυντή LHC και την κοινότητα των φυσικών υψηλών ενεργειών, είναι με τη συλλογή περισσότερων δεδομένων να ισχυροποιήσουμε το σήμα αυτού του σωματιδίου και έτσι να δούμε αν είναι το σωματίδιο Higgs της θεωρίας του Καθιερωμένου Προτύπου, οπότε θα πρέπει να το βρούμε σε όλα τα κανάλια διάσπασης που προβλέπονται από τη θεωρία αυτή. Φυσικά, πρέπει να μελετήσουμε τις ιδιότητες αυτού του σωματιδίου και να συγκρίνουμε αυτά που θα βρούμε με τις προβλεπόμενες ιδιότητες του μποζονίου Higgs. Ήδη κάποιες από αυτές τις ιδιότητες ταυτίζονται με τις προβλέψεις, δηλαδή το γεγονός ότι το Higgs φάνηκε στα προβλεπόμενα κανάλια και ακόμα με μάζα που προέβλεψαν άλλες έμμεσες μετρήσεις. Στις προσεχείς εβδομάδες και μήνες στο ATLAS, θα μετρήσουμε καλύτερα αυτές τις ιδιότητες, καθιστώντας έτσι σαφέστερη την εικόνα του κατά πόσο αυτό το σωματίδιο που εντοπίστηκε είναι όντως το μποζόνιο Higgs, ή το πρώτο μιας μεγάλης οικογένειας τέτοιων σωματιδίων ή τέλος κάτι τελείως διαφορετικό.

Τα δεδομένα του 2012 προέρχονται από συγκρούσεις πρωτονίων με αυξανόμενη ενέργεια στο κέντρο της δέσμης, μέχρι 8 TeV. Μέσα σε τρεις μήνες συγκεντρώσαμε περισσότερα δεδομένα από αυτά όλου του 2011. Αυτή η αυξημένη συσσώρευση δεδομένων κατέστη δυνατή χάρη στις μεγάλες προσπάθειες της ομάδας του επιταχυντή LHC που αύξησε παράλληλα με την ενέργεια κάθε δέσμης πρωτονίου και την φωτεινότητα (αριθμό συγκρούσεων ανά δευτερόλεπτο). Τα δεδομένα που παρουσιάστηκαν προέρχονται από ένα τετράκις εκατομμύριο συγκρούσεις πρωτονίων.

Ο ανιχνευτής ATLAS είχε εξαιρετική απόδοση ακόμη και στις πιο δύσκολες συνθήκες δέσμης του 2012 και σε πλήρη απόδοση απέδωσε υψηλής ποιότητος δεδομένα γι’ αυτή την έρευνα. Το ισχυρό δυναμικό υπολογιστών που διατέθηκε από το παγκόσμιο δίκτυο για τις ανάγκες του LHC, ήταν απαραίτητο για την ανάλυση όλων αυτών των δεδομένων.

Αναμένεται, ότι το LHC θα επιτρέψει στο ATLAS να αποδώσει περισσότερα από διπλάσια δεδομένα μέχρι την άνοιξη του 2013, οπότε θα διακοπεί η λειτουργία του ώστε να γίνει η απαραίτητη αναβάθμιση (για την ενέργεια των 14 TeV). Όταν το LHC, θα ξεκινήσει πάλι το 2014 θα εργάζεται με περίπου την διπλάσια ισχύ απ’ ότι σήμερα. Τα νέα δεδομένα του 2012 και αυτά από την ανακαινισμένη μηχανή, θα μας επιτρέψουν να διερευνήσουμε τα ερωτήματα που τέθηκαν για το νέο σωμάτιο καθώς και άλλα βασικά ερωτήματα.

Εν κατακλείδι, γιατί τελικά η ανακάλυψη του σωματιδίου Higgs είναι τόσο σημαντική και γιατί επενδύσαμε τόσα πολλά στην έρευνά του;

Εικόνα 5. Διάσπαση υποψήφιου μποζονίου Higgs σε τέσσερα ηλεκτρόνια καταγεγραμμένα από τον ανιχνευτή ATLAS το 2012. ATLAS Experiment © 2012 CERN

Πρώτα από όλα, επαληθεύεται η θεωρία του Καθιερωμένου Προτύπου που προέβλεπε από τη δεκαετία του 1960 την ύπαρξη του πεδίου Higgs για να εξηγήσει το “σπάσιμο” της συμμετρίας των ηλεκτρασθενών δυνάμεων.Δηλαδή, γιατί ενώ το φωτόνιο δεν έχει μάζα, το W και το Z έχουν, παρόλο που είναι ισοδύναμοι φορείς.

Επίσης να εξηγήσει και το γεγονός ότι τα στοιχειώδη σωμάτια έχουν μάζα. Η απόδειξη ύπαρξης του πεδίου Higgs είναι το σωμάτιο Higgs που δημιουργείται από συσσωματώματα ενέργειας του πεδίου που εμφανίστηκε στα αρχικά στάδια του σύμπαντος. Γενικά, η ανακάλυψη του Higgs μας βοηθά να κατανοήσουμε καλύτερα τους νόμους της Φυσικής που διέπουν την ύλη και ρίχνει φως στο τι συνέβη στην αρχή δημιουργίας του σύμπαντος.

Βέβαια, η θεωρία αυτή δεν καλύπτει την βαρυτική δύναμη και δεν εξηγεί το γιατί τα σωμάτια έχουν την μάζα που έχουν και δεν έχουμε βρει ακόμα κανένα από τα σωμάτια που αποτελούν την «σκοτεινή ύλη», που είναι το μεγαλύτερο ποσοστό της μάζας του σύμπαντος.

 
Η δρ. Θεοδότα Λάγουρη, Associate Research Scientist στο Τμήμα Φυσικής του Πανεπιστημίου Yale, δουλεύει στο πείραμα ATLAS του LHC στο CERN, με την ομάδα του Prof. Oliver Baker. Είναι μέλος του ATLAS από το 1996 και έχει επικεντρώσει την έρευνά της στην ανακάλυψη του περιβόητου μποζονίου Higgs, μέσω του καναλιού διάσπασης του σε δύο μποζόνια Ζ και ακολούθως σε τέσσερα λεπτόνια.
Η δρ. Θεοδότα Λάγουρη έχει πάνω από 100 δημοσιεύσεις με το πείραμα ATLAS. Είναι μέλος της American Physical Society, του Marie Curie MCFA association, Marie Curie Women in Science (m-WiSET), και της Hellenic High Energy Physics Society.