Na CERN opservirana rijetka interakcija dvije fundamentalne čestice

U nedostatku slike interakcije vršnog kvarka i Higgsovog bozona, stavljam svoju sliku kako se kreveljim ispred CMS detektora

Veliki hadronski sudarač - LHC, neko je vrijeme malo odmarao, kako bi se pripremio za nove sudare. Nekad u aprilu ove godine počelo je "uštimavanje" i zagrijavanje LHC i CMS detektora, da bi se prvi sudari desili nešto malo poslije. I novi krug sudara - nova otkrića. 

Početkom juna (4. juni 2018.) u Physical Review Letters objavljen je rad  pod naslovom "Observation of t¯tH Production" koji dolazi sa CMS CERN-ovog eksperimenta, a drugi rad od tima ATLAS pod naslovom "Observation of Higgs boson production in association with a top quark pair at the LHC with the ATLAS detector" je predan i trenutno je u "preprintu" na arXiv.org. U ovim radovima je pokazano kako su sudari u LHC pokazali povezanost dvije najteže čestice prema Standardnom modelu: vršnog kvarka (top quark) i Higgsovog bozona. 

Zašto je to zanimljivo?

Naime, ova interakcija je predviđena, ali nije bila eksperimentalno potvrđena. 

Top kvark je namasivniji od svih kvarkova i spada u fermione, što znači da je to čestica koja nema cjelobrojni, nego ima polovičan spin od -1/2. Predvidjeli su ga Makoto Kobayashi i Toshihide Maskawa 1970. godine, a detektovan je 1995. u Fermilabu. Sa druge strane, Higgsov bozon je predviđen šezdesetih godina, a detektovan je 2012. na CERN-u. Spada u bozone, odnosno, fundamentalne čestice sa cjelobrojnim spinom. Važan je zbog toga što stvara tzv. Higgsovo polje koje daje masu ostalim fundamentalnim česticama (a ne, kako se nekad tumači, masu uopšte). 

Shema pokazuje interakciju vršnog kvarka i Higgsovog bozona u ttH procesu, izvor: CERN/MS

Pošto Higgsov bozon preko Higgsovog polja fundamentalnim česticama daje masu, a vršni kvark je najmasivnija čestica, logično je da mora dolaziti do interakcije ove dvije čestice. Ipak, sve donedavno, fizičari nisu imali potvrdu da se to događa. 

Sudari protona u LHC-u proizvode čitave lance reakcija čestica i glavni zadatak istraživača jeste upratiti sve ove promjene i veze. Spomenuti radovi su se fokusirali na rijedak proces u kojem dolazi do fuzije dva gluona unutar protona, pri čemu nastaju dva (virtuelna) vršna kvarka. Međutim, od ta dva vršna kvarka nastaje Higgsov bozon. Ipak, u 1% slučajeva nastane kombinacija Higgsovog bozona i dva realna vršna kvarka. 

I Higgsov bozon i vršni kvark, pošto su čestice velike mase, brzo nestaju, tj. "kratko žive" i to otežava detekciju ove interakcije. Ipak, u CERN-u su pojačali osjetljivost mjerenja tako da su uspjeli dokazati postojanje interakcije između Higgsovog bozona i vršnog kvarka. Statistička signifikantnost signala je iznosila 5 sigma. Zbog masivnosti obje čestice, ova interakcija može proizvesti sve tipove čestica koje CMS detektuje.

Ova opservacija učvršćuje glavne elemente Standardog modela. Međutim, još nije opservirana interakcija Higgsovog bozona sa Higgsovim bozonom, a to bi moglo pružiti neke nove uvide i saznanja, posebno o elektroslaboj faznoj tranziciji i onim prvim trenucima razvoja Univerzuma.