Jaht Higgsi bosonile läheneb lõpule

Sellel teisipäeval Euroopa Tuumauuringute Keskuses toimunud seminaril andsid Suure Hadronite Põrguti kahe peamise eksperimendi, CMS’i ja ATLAS’e, esindajad ülevaate selle aasta vältel toimunud Higgsi bosoni otsingutest. Mõlemad eksperimendid näevad küll signaali võimalikust osakest, ent sellest ei piisa bosoni olemasolu tõestamiseks.

Jaht Higgsi bosonile on kestnud juba peaaegu pool sajandit. Bosonist on saanud avalikkuse jaoks moodsa osakestefüüsika üks suuremaid ikoone. Kuigi seda hõlmavate teooriate abil on võidetud Nobeli preemiaid, on osakese enda olemus jäänud märksa saladuslikumaks. Tegelikult ei saa hoolimata järjepidevastest otsingutest isegi täielikult kindel olla, et see üleüldse eksisteerib. Legendi kohaselt tahtis Nobeli võitja Leon Lederman seda seetõttu oma universumist kõnelevas raamatus kutsuda lausa „kuradima osakeseks.“

Kirjastaja olevat aga selle targu müüginumbrite huvides „jumala osakeseks“ ümber nimetanud. Nii või teisiti õigustab see oma hüüdnime täielikult. Religiooniga on sellel aga vähe tegemist. Ilma Higgsita osutuks lihtsalt enamik füüsika moodsamates harudes kasutavatest teooriatest õnnelikuks juhuseks, mis suudavad küll maailma suhteliselt täpselt kirjeldada, ent ilma väga hea põhjuseta. Kuigi vähesed arvavad, et esmakordselt 1964. välja pakutud traditsiooniline Higgs jääb osakestefüüsika lõplikuks sõnaks, suudab see siiski elegantselt mitmeid nähtusi edukalt kirjeldada.

Higgsi bosonita oleks võimatu selgitada, miks õigupoolest enamikel osakestel mass on. Maailm oleks tunduvalt teistsugune – absoluutselt kõik liiguks valguse kiirusega. Universumi jahtudes moodustus aga õnneks kõigi looduses massiivsena nähtavate fundamentaalosakeste ümber Higgs’i väli, mille väikseimad osad – kvandid – on Higgsi bosonid. Samuti kannab väli teatud tüüpi laengut, (mida ei tohi segi ajada elektrilaenguga). Laeng mõjutab iga elementaarosakest veidi erinevalt. Selle vastastikmõju ulatus määrab, kui raske iga osake on.

Bosonid on justkui kuulsuste jahil päevapiltnikud, kes neid nende iga tegemise juures saadavad. Tuntumad algosakesed nagu top-kvargid peavad enda fotograafidest läbi surumiseks rohkem tööd tegema, mis annab neile ka suurema massi. Kahvatumatel kujudel nagu elektronidel on see tunduvalt hõlpsam. Higgsiga kohtudes ei loe osakeste puhul nende suurus – mõlemad on punktmassid – vaid nende nõnda öelda „kuulsus.“ Higgs’i peamine võlu ei seisne aga üldises ülaltoodud mehhanismis.

Ilma selleta oleks ka äärmiselt raske kahte universumi fundamentaaljõust ühendada. Nimelt märkasid füüsikud aja möödudes, et kõrgematel energiatel on radioaktiivsust põhjustavat nõrka jõudu ning elektomagnetilist vastastikmõju teineteisest pea võimatu eristada. Seda vahendavad osakesed, nõrga jõu puhul Z- ja W-bosonid ning elektromagnetismi puhul footonid ehk valgusosakesed, on äärmiselt sarnased. Leidus aga probleem – Z- ja W-bosonid on äärmiselt rasked. Osakeste mass jääb 100 GeV (gigaelektronvoldi) piirimaile, mil footonid on massitud. Jõude ühendav teooria nõuab samal ajal, et seda oleksid mõlemad.

Osakestefüüsikute poolt kasutavad teooriad ennustaksid muidu, et mõningate protsesside aset leidmise tõenäosus on suurem ühest, mis on hullumeelne! Häiriva asjaolu kõrvaldas Higgsi mehhanism. Higgsi väli laseb valgusosakesed vabalt läbi, ent avaldab tugevat mõju Z- ja W-bosonile. Elektronõrga vastastikmõju teooria eest said ka Abdus Salam, Sheldon Glashow ja Steven Weinberg 1974. aastal Nobeli preemia. Mil välja abil koos seisev standardmudel suutis ülihästi ennustada teiste elementaarosakeste masse, jäi selle kvant müstilisemaks.

Teooria kohaselt Higgsi bosoneid alla 100 GeV ei eksisteeri, kuigi Higgsi väli on kõikjal nullist erinev. Esimest korda arvasid füüsikud Higgsi bosonit nägevat Suure Hadroni Põrguti (LHC) eelkäija LEP-kiirendi poolt tekitatud kokkupõrgetes. Toona märgati signaali 115 GeV piirmail, ent selle olemasolu kinnitamisele sai saatuslik põrguti tööaja lõpp. Kuigi järgnenud aastatel suutis USA-s asuva Tevatroni kiirendi kollektiiv ning LHC eksperimendid laiad massipiirkonnad, kus Higgs olla võiks, välistada, jäi bosoni mass endiselt selgusetuks.

Seega pole ime, et füüsikute kogukond detsembri algusest ajaveebides leviva kuulujutu najel kihama lõi. Toonaseks oldi suudetud võimalikku massipiirkonda suudetud kitsendada 114-145 GeV. Kuulujutu alusel olevat nii CMS-eksperimendi, kui ka ATLAS’e kollektiiv näinud LEP’i registreeritud signaalist tunduvalt selgemat võimalikku osakest märkivat kühmukest. „Kindlasti ei ole tegu üheselt mõistetava avastusega. Pigem viib see meid sammukese lähemale teadmisele, mis tegelikult toimub. See on võrratu!“ märkis loetud tunnid enne seminari LHCb eksperimendi liige Tara Shears.

Ettevaatlikule seisukohale jäi samuti CMS eksperimendi juures töötav Andi Hektor: „Praegu näevad füüsikud ainult kahte erinevat Higgsi lagunemise viisi, footoniteks või leptoniteks. See võib olla hoopis mingi muu uus osake, millest meil polnud siiani aimugi. Tõestamaks, et tegu on tõesti Higgsiga on vaja üles leida ka kõikvõimalikud teised osakestefüüsika teooria poolt ennustatud Higgsi lagunemiskanalid.“ Täpsemad kommentaarid tema seotuse tõttu CMS’iga jäid hilisemaks. Tagasihoidlikus toonis oli ka LHC peadirektori Rolf Heuer‘i eelnevalt väljastatud pressiteade.

Sellest hoolimata oli päev hiljem Cerni auditooriumis pahvatanud aplausitorm Heuer’i, ATLAS’e eestkõneleja Fabiola Gianotti ja CMS’i eestkõneleja Guido Tonelli saali astumisel kõrvulukustav. Ringlenud kuulujuttudest, mille peamiseks sõnumiks oli 2,5-3,5 sigmaline signaal Higgsist, jäid esitletud tulemused aga vajaka. Sigmadega märgitakse tõenäosust, et nähtav signaal on lihtsalt statistiline hälve, mitte reaalne tulemus. Kolme-sigmaline tulemus on võrdväärne olukorraga, kus mündi viskamisel kukub see kaheksa korda järjest samale küljele.

Avastuseks saab kutsuda viie-sigmalist tulemust ehk statistilise vingerpussi tõenäosus on langenud 1:1,7 miljonile. CMS’i ja ATLAS’e poolt esitluse ajaks kogutud andmete põhjal oli maksimaalselt võimalik jõuda standardmudeli poolt ennustatavast taustamürast eristatava 2-3 sigmase koondtulemuseni. Viimane põhineb kõikidel jälgitavate lagunemisproduktide hulgal. Nimelt on Higgsi võimatu otseselt registreerida. Selle asemel annab teooria ette erinevad võimalused, kuidas Higgs laguneda saab. „Higgs saab laguneda kõigiks tuntud osakesteks,“ selgitas Hektor.

Mõned lagunemiskanalid on aga teistest veidi tundlikumad. Nende puhul on märka kergem kindlaks teha, et tõenäoliselt tekkisid vaadeldavad osakesed just Higgsi lagunemisel. Nii jälgib ATLAS kahte lagunemiskanalit. Prootonite põrkumisel vallanduvast energiast moodustunud Higgs võib laguneda kaheks footoniks (H->γ γ ) või kaheks Z-bosoniks, mis lagunevad edasi kaheks leptoniks ja antileptoniks. CMS registreerib lisaks neile ka kolme võimalust, kus Higgsi lagunemisel tekivad W-bosonid, elektronide suuremad vennad tau-osakesed ning bottom-kvargid ja selle antiosakesed.

ATLAS detektor suutis kinnitada, et sellistest lagunemis-sündmustest ei nähta ennustatuga võrreldes ülejääki 130-476 GeV energiatel. CMS’i kollektiiv on läinud isegi kaugemale – 95% kindlusega teatakse, et Higgsi mass ei saa olla 127-600 GeV. Kärsitumalt oodati muidugi võimalikku Higgsist põhjustatud ülejääki. ATLAS näeb taustamürast eristuvat signaali 127 GeV piirimail, mis ulatub ka veidi allapoole – 126 GeV-ni. CMS seevastu näeb kahte ‘kühmu’ – suuremat 124 GeV piiril ning teist 119 GeV juures. Eri detektorite signaalid tunduvad teineteise suhtes nihkes olevat.

Samas tuleb märkida, et eri detektorite kindlus mõõdetud signaali tegelikkus olemasolus on erinev. CMS’i puhul on ‘kühmu’ kohalik erisus taustamürast 2,6 sigmat, mil ATLAS’e oma küündib 3,6 sigmani. Higgsi justkui oleks nähtud. Ent vaadates mõõdetud signaali globaalsemalt, langeb CMS’i tulemuse olulisus 1,9 sigmani ning ATLAS’e Higgsi jälg väheneb 2,3 sigmani. Statistiliselt on seega võimalus, et selline signaal piirkonnas 110-150 GeV juhuslikult tekiks 1:15. Kui aga kombineerida CMS’i signaalid, on tõenäosus kohata Higgsi 124 GeV piirimail 34/35le.

Kogukond tundus tulemusi üldiselt vastuvõtvat rahulikult. Hoiakuid kirjeldavaks märksõnaks on „kindel-võib-olla.“ „Esitletud tulemused olid enam-vähem sellised nagu mina ning enamik eksperte, kellega ma eelnevalt rääkisin, ootasid,“ märkis Matthew Strassler, tuntud osakestefüüsik. Samas annavad need järjest enam märku, et traditsioonilise Higgsi olemasolu lõplikule tõestamisele või selle hülgamisele ollakse lähemal kui kunagi varem. „ATLAS ja CMS peaksid 2012. aastal suutma koguda kõik vajalikud andmed, mida nad vajavad,“ loodab Shears.

Kuigi teaduslikus mõistes ei saa Higgsi bosoni olemasolu veel pärast seda nädalat täielikult kinnitada, piisas tulemustest, et panna mõnda füüsikut isiklikul tasemel Higgsi olemasolusse kindlat uskuvat. „Kolme-sigmaline tulemus ühe eksperimendi poolt ning kahe-sigmane teiselt poolt, mis kattuvad ning on samas oodatava signaali sarnane, on minu jaoks piisav uskumaks, et see on Higgs,“ väljendas CMS’i töörühma hulka kuuluv Tomasso Rodrigo oma rahulolu. Siiski jäävad veel mõned ettevaatlikumale seisukohale.

„Üks probleem, mille ka füüsikud sageli ära unustavad, on see, et lisaks statistilisele veale on olemas ka süstemaatilised vead,“ hoiatab Hektor. Aparatuurist lähtuvaid erinevusi on füüsiku sõnul juba tunduvalt raskem avastada. Nii või teisiti märgivad tulemused uue ajastu saabumist. On peaaegu täiesti kindel, et Higgsi mass peab jääma 116-127 GeV vahele. Ning teiseks – tsiteerides Rolf Heuer‘it: „Näeme järgmisel aastal tulemusega!“ Traditsioonilise Higgsi osas tõe välja selgitamiseks kulub veel vaid üks aasta. See on aga alles algus.

Loe pikemaid kommentaare ERR Teadusportaalist

Tara Shears
LHCb-eksperiment