Životnost Higgsova bosonu měřena s přesností na semiliontinu sekundy

Fyzici v CERNu změřili životnost Higgsova bosonu s větší přesností než kdykoli předtím. Protože legendární částice žije jen nepatrný zlomek sekundy, vědci přišli s kreativním řešením, jak vypočítat nový údaj.

Higgsův boson, o kterém se poprvé předpokládalo v 60. letech 20. století, byl konečnou elementární částicí předpovězenou Standardním modelem a další částice získávají hmotnost prostřednictvím interakcí s ním. Jeho odhalení v roce 2012 bylo jedním z nejdůležitějších vědeckých průlomů za celé století a vědci, kteří formulovali myšlenku, získali v roce 2013 Nobelovu cenu za fyziku.

Higgsův boson je od té doby pravidelně produkován ve Velkém urychlovači hadronů (LHC), což umožňuje fyzikům studovat jeho vlastnosti, ale některé z nich je obtížné určit právě proto, že žije jen několik semiliontin sekundy, než se rozpadne na jiné částice. . Ve skutečnosti je jeho životnost sama o sobě jednou z nejobtížněji měřitelných vlastností, protože nedává dostatek času na to, aby prošel přístrojem, aby se dostal k detektorům.

Pro novou studii tedy vědci s CMS Collaboration použili nepřímou metodu k měření délky života Higgsova bosonu přesněji než kdykoli předtím. Místo toho se obrátili k jiné vlastnosti nazývané její hmotnostní šířka – rozsah možných hmotností, které částice může mít. V podstatě platí, že čím širší je hmotnostní šířka částice, tím kratší je její životnost, což fyzikům umožňuje vypočítat ji měřením první.

Nominální hmotnost Higgsova bosonu – jeho obvyklá, nejběžnější hodnota – je 125 gigaelektronvoltů (GeV). Ale díky kvantové podivnosti Heisenbergova principu neurčitosti se někdy vyrábějí i verze s větší hmotností. Tým analyzoval data z druhého pozorování LHC, aby vypočítal poměr „on-shell“ Higgsových bosonů (těch blízkých nominální hmotnosti) k „off-shell“ Higgsovým bosonům (těm, které mají mnohem větší hmotnost než obvykle).

Pomocí této techniky vědci vypočítali, že životnost Higgsova bosonu je 210 yoktosekund – to je v říši semiliontin sekundy neboli desetinné čárky následované 22 nulami. Nejistota této hodnoty je (+2,3/-0,9) x 10^-22 sekund, což z něj dělá dosud nejpřesnější měření doby života Higgsova bosonu.

„Náš výsledek ukazuje, že produkce Higgsova bosonu mimo skořápku nabízí vynikající způsob měření životnosti Higgsova bosonu,“ říká Pascal Vanlaer, fyzik ze společnosti CMS. „A nastavuje milník ve studiu vlastností této jedinečné částice. Očekává se, že přesnost měření se v nadcházejících letech zlepší s daty z příštích běhů LHC a novými analytickými nápady.

Další pozorovací běh LHC má začít v roce 2022.

Výzkum je dostupný na dokumentovém serveru CERN.

Zdroje: CERN, CMS