Pary Higgsa mogą stać się przyczynkiem nowego modelu fizyki, wykraczającego poza model standardowy
Poszukiwania bozonu Higgsa – cząsteczki, która stanowiła brakujący fragment układanki, jaką jest model standardowy fizyki, zaprzątały głowy fizyków przez kilkadziesiąt lat. Ostatecznie wytrwałość i ciekawość naukowców zaowocowała wykryciem w 2012 roku tej ostatniej cząstki podstawowej, której istnienie nie zostało wcześniej potwierdzone eksperymentalnie. Do przełomowego odkrycia doszło w Wielkim Zderzaczu Hadronów (LHC) w CERNie. Pomimo tego, że model standardowy w piękny sposób opisuje skład materii oraz to, w jaki sposób zbudowany jest świat, teoria ta ma wiele wad i niedostatków. Badanie właściwości bozonu Higgsa może pomóc w ustaleniu odpowiedzi na fundamentalne pytania, na które nie jesteśmy w stanie znaleźć odpowiedzi opartych na modelu standardowym. „Bozon Higgsa może stanowić fundament naszych badań nad ciemną materią, asymetrią materii i antymaterii (asymetrią przestrzenno-ładunkową) oraz teorią wielkiej unifikacji w fizyce cząstek”, zauważa Stefano Moretti, koordynator projektu NonMinimalHiggs. Dzięki finansowaniu w ramach działania „Maria Skłodowska-Curie”, badacze skupieni wokół projektu NonMinimalHiggs mogli skoncentrować się na badaniach zagadnień związanych z bozonem Higgsa oraz tego, w jaki sposób cząsteczka ta może przyczynić się do lepszego zrozumienia fundamentalnych praw rządzących Wszechświatem. Niektóre spośród najważniejszych pytań, na które poszukiwali odpowiedzi naukowcy, obejmowały zagadnienia takie jak: „Które nowe modele fizyki lepiej opisują podstawowe zasady rządzące Wszechświatem, jeśli weźmiemy pod uwagę wszystkie zaobserwowane właściwości bozonu Higgsa?” Zrealizowane badania przełożą się na usprawnienie badań nad nową fizyką, prowadzonych w istniejących i przyszłych zderzaczach hadronów.
Wyjaśnienie przyczyn złamania symetrii oddziaływań elektrosłabych
Model standardowy zakłada, że cząstki elementarne nabywają masy w wyniku oddziaływań z polem Higgsa. Procesem tym steruje niezwykle delikatny mechanizm nazywany złamaniem symetrii oddziaływań elektrosłabych, który stanowi jedno z najsłabiej zrozumianych zjawisk składających się na model standardowy. Według założeń tej teorii, wszystkie nośniki oddziaływań elektrosłabych mają zerową masę, co pozwala na połączenie oddziaływań elektromagnetycznych i oddziaływań słabych w jedno oddziaływanie elektrosłabe. Jednak w przeciwieństwie do pozbawionego masy fotonu, który umożliwia oddziaływania elektromagnetyczne, bozony, które przenoszą oddziaływania słabe charakteryzują się niezerową masą, a pole Higgsa łamie symetrię oddziaływań elektrosłabych mas bozonów. „Naukowcy skupieni wokół projektu NonMinimalHiggs z powodzeniem przygotowali podwaliny dla społeczności naukowej zajmującej się fizyką cząstek, dzięki którym będzie możliwe poszukiwanie struktur fizycznych poza modelem standardowym, odpowiedzialnych za mechanizm złamania symetrii oddziaływań elektrosłabych”, wskazuje Moretti. W ramach interdyscyplinarnej współpracy wielu grup badawczych złożonych z naukowców reprezentujących szereg ośrodków prowadzone były poszukiwania nowych stanów bozonu Higgsa przy pomocy innowacyjnych narzędzi numerycznych. Jednym z przykładów korzyści wynikających z zastosowania nowatorskiego podejścia przez badaczy skupionych wokół projektu NonMinimalHiggs było podkreślenie potrzeby uwzględnienia skutków kwantowego zjawiska interferencji w badaniach nad naładowanymi stanami bozonu Higgsa. Zjawisko to, które nie zostało uwzględnione w analizach eksperymentalnych realizowanych w Wielkim Zderzaczu Hadronów, może wymuszać całkowitą zmianę interpretacji danych. Wyniki badań przeprowadzonych przez naukowców zostały opublikowane w tym artykule.
Jeden Higgs to za mało
Rezultatem projektu NonMinimalHiggs było przeszło 110 publikacji naukowych, których wspólnym mianownikiem było opracowanie szeregu prawdopodobnych scenariuszy uwzględniających nieminimalną formę mechanizmu Higgsa w nowych scenariuszach dotyczących fizyki poza modelem standardowym. Badanie eksperymentalne przejawów tych scenariuszy w ziemskich i kosmicznych laboratoriach pozwoli naukowcom na odkrycie zasad fizyki poza modelem standardowym, które stanowią podstawę naszego życia. Do czego odnosi się określenie „nieminimalna”? „Model standardowy opiera się na jednym bozonie Higgsa, zgodnym z cząstką skalarną odkrytą w Wielkim Zderzaczu Hadronów. Taka minimalna wersja pozwala na wyjaśnienie mechanizmu generowania masy cząstek, jednak nie stanowi rozwiązania wszystkich problemów modelu standardowego fizyki. Nasze modele, które uwzględniają więcej rodzajów bozonu Higgsa lub inne cząstki skalarne, pozwalają na wyjaśnienie niektórych spośród najbardziej palących zagadnień dotyczących nauki o cząstkach elementarnych, co stanowi przyczynek do opracowania nowej teorii fizyki poza modelem standardowym”, podsumowuje Rui Santos, kolejny spośród naukowców zajmujących się projektem NonMinimalHiggs.
Słowa kluczowe
NonMinimalHiggs, model podstawowy, bozon Higgsa, nowa fizyka, Wielki Zderzacz Hadronów (LHC), fizyka poza modelem standardowym, złamanie symetrii oddziaływań elektrosłabych, nieminimalny bozon Higgsa