Päť rokov od objavu Higgsovho bozónu

, Autor:
Pred piatimi rokmi, 4. 7. 2012, oznámili na seminári v Európskej organizácii pre jadrový výskum (CERN) výskumné tímy ATLAS a CMS objav častice s vlastnosťami dlho hľadaného Higgsovho bozónu. Išlo o výrazný úspech fyzikov a inžinierov pracujúcich na najväčšom a najvýkonnejšom hadrónovom urýchľovači častíc na svete LHC (Large Hadron Collider). Súčasťou objaviteľského tímu ATLAS boli aj slovenskí vedci z Bratislavy a z Košíc.

Výskum vlastností známych častíc a hľadanie nových sa ale nezastavil. Experiment ATLAS, plánovaný na desiatky rokov, pokračoval v štúdiu najjemnejšej štruktúry hmoty v protón-protónových zrážkach pri extrémnych energiách, v presnejšom skúmaní vlastností známych elementárnych častíc a javov, v hľadaní prejavov fyziky za hranicami Štandardného modelu. Kolaborácia ATLAS doposiaľ publikovala výsledky svojho výskumu vo viac ako 680 prácach v prestížnych medzinárodných časopisoch.

Doc. RNDR. Dušan Bruncko, CSc. (vedúci slovenského tímu v experimente ATLAS): „Dnes, po piatich rokoch, je vhodný čas pozrieť sa na uplynulé roky od objavu Higgsovej častice. Oproti roku 2012 máme k dispozícii skoro dvojnásobný objem dát pri viac ako 1,5-násobnej energii. Teda, zjednodušene povedané, mali by sme pozorovať viac efektov mikrosveta, ako v roku 2012.

Získali sme nové údaje o veľkosti účinných prierezov rozpadu Higgsovho bozónu na 4 elektricky nabité leptóny. Účinný prierez charakterizuje pravdepodobnosť daného rozpadu. Ďalej experiment ATLAS prvý raz zmeral účinný prierez izolovaných fotónov, ktoré sa rodia priamo počas rozpadu Higgsovho bozónu, tzv. prompt fotónov. Získané výsledky dnes slúžia ako dôležité testy kvantovej chromodynamiky.

Zmieniť treba aj unikátne meranie pravdepodobnosti produkcie jetov (hustých prúdov častíc) pri takom rozpade Higgsovho bozónu, v ktorom súčasne vzniká dvojica top kvarkov. Ukazuje sa, že LHC je skutočne "fabrikou" na produkciu top kvarkov - pekným príkladom sú údaje z meraní zrážok protónov pri energii 13 TeV (teraelektrónvoltov), v ktorých vzniká iba jeden top kvark, lebo patria k jedinečným na svete.

Nové pozoruhodné výsledky experimentu ATLAS sa netýkajú len tzv. fyziky Higgsa a fyziky Štandardného modelu, ale aj štúdia vlastností množstva ďalších elementárnych častíc, predovšetkým top a bottom kvarkov a analýzy špecifických väzieb v rozpadoch častíc na 2 respektíve 3 intermediálne bozóny W+, W- a  Z. Kolaborácia dosiahla nateraz najpresnejšie meranie hmotnosti W bozónu, aké sa kedy dosiahlo v jednotlivom experimente. Značný dôraz pri analýze údajov získaných kolaboráciou ATLAS na urýchľovači LHC sa v posledných rokoch kladie na výskum javov mimo rámca tzv. Štandardného modelu, hlavne hľadanie supersymetrických častíc a na analýzu možných prejavov temnej hmoty, ktorá tvorí značnú časť nášho vesmíru, ale o ktorej vieme veľmi málo.“

Na experimente ATLAS sa podieľa skupina slovenských fyzikov a inžinierov pod hlavičkou Ústavu experimentálnej fyziky Slovenskej akadémie vied v Košiciach a Fakulty matematiky, fyziky a informatiky Univerzity Komenského v Bratislave. Z metodického pohľadu sa zamerala na kalorimetriu - meranie energie častíc, ktoré vznikajú v zrážkach. Konkrétne na budovanie, prevádzku a modernizáciu kalorimetra LAr, kde signálnym médiom je kvapalný argón, a hadrónového kalorimetra TILE, ktorý ako signálne médium používa scintilátory. Slovenská skupina je tiež spoluzodpovedná za rozvoj metód spracovania údajov z týchto kalorimetrov.

Vo fyzikálnom výskume sa skupina venuje štúdiu vlastností top kvarku v reakciách s 2 leptónmi, štúdiu mäkkých hadrónových procesov s vysokou početnosťou a štúdiu Boseho - Einsteinových korelácií pri riešení problematiky uväznenia kvarkov. Slovensko tiež prispieva k budovaniu celosvetovej počítačovej siete typu GRID pre spracovanie údajov z experimentov na urýchľovači LHC.

Doc. RNDr. D. Bruncko, CSc. pokračuje: „Aj keď hlavnú náplň experimentálneho programu kolaborácie ATLAS predstavuje štúdium zrážok protónov pri energii 13 TeV, nemalý pokrok sa dosiahol aj pri analýze relativistických zrážok iónov olova. Spomeniem vôbec prvé pozorovanie potlačenia produkcie jetov v zrážkach iónov, či priame pozorovanie vysokoenergetického rozptylu fotónov pri takých zrážkach, kedy ióny olova do seba nenarazia priamo, ale sa iba veľmi jemne dotknú. Posledný výsledok získaný pri analýze údajov zrážok iónov olova pri energii 5,02 TeV v roku 2015 je síce nateraz len na úrovni "evidencie", teda so štatistickou dôveryhodnosťou na úrovni tri sigma (pripomeniem, že pre označenie objav je potrebných 5 sigma), ale je to pozoruhodný výsledok.“

Slovenskí vedci a inžinieri sa v mnohopočetnom kolektíve experimentu ATLAS nestrácajú (experiment má cca 3000 autorov), čo dokazuje aj fakt, že v tomto roku zverila kolaborácia ATLAS Slovensku zorganizovanie výročného pracovného stretnutia, takzvaného ATLAS Weeku, na ktorom sa zúčastní vyše 300 vedcov. Toto stretnutie sa koná 9. - 13. 10. 2017 v Bratislave a bude unikátne aj tým, že kolaborácia na ňom oslávi 25. výročie svojho vzniku.

Výskum na urýchľovači LHC je predovšetkým základným výskumom, ktorý slúži k pochopeniu zákonitostí nášho sveta, ale kolaborácia ATLAS venuje pozornosť aj využitiu vyvinutých technológií a metód v praktickom živote. Na báze technológie kremíkových pixelových detektorov boli vyvinuté rôzne radiačné senzory, ktoré sa využívajú v medicínskej diagnostike, v dozimetrii a v meraní kvality životného prostredia. Výsledky výskumu v experimente ATLAS využívajú slovenskí fyzici aj pri popularizácii fyziky v širokej verejnosti a medzi študentmi stredných škôl.

Európska organizácia pre jadrový výskum (CERN) so sídlom v Ženeve je v súčasnosti najvýznamnejšia výskumná organizácia v oblasti výskumu elementárnych častíc a štruktúry hmoty. Bola založená v roku 1954, Slovensko sa členským štátom CERN stalo 1. júla 1993, a vďaka tomu sa podieľa na základnom a aplikovanom výskume svetového významu. Členstvo v CERN prináša Slovensku aj priamy hospodársky úžitok, keďže pri budovaní a modernizácii experimentálnych zariadení v CERN získavajú významné kontrakty aj slovenské firmy.

 

Autor: Eduard Kladiva

Kontakt: Doc. RNDr. Dušan Bruncko, CSc.

Ústav experimentálnej fyziky SAV, Watsonova 47, Košice

Email: [email protected]  Telefón: 055/7922217

Zdroj fotografií: CERN (https://cds.cern.ch/). Voľne pre informačné účely, podmienky použitia fotografií: http://copyright.web.cern.ch/