Polonya Bilimler Akademisi Nükleer Fizik Enstitüsü’ndeki bilim adamları, Higgs bozonunun “Gizli Vadi” modellerine göre egzotik parçacıklara bozunma yoluyla “yeni fizik” ile etkileşime girebileceğini öne sürüyor. Bu modeller, geleceğin parçacık hızlandırıcılarının bu egzotik bozunmayı gözlemleyebileceğini ve potansiyel olarak mevcut Standart Modelimizin ötesinde yeni fiziği anlamanın yolunu açabileceğini öne sürüyor.
Ünlü Higgs bozonu, ortak– temel parçacıkların kütlelerinin varlığından sorumlu olan, onlarca yıldır aranan yeni fizik dünyasıyla da etkileşime giriyor. Eğer durum gerçekten böyle olsaydı, Higgs’in egzotik parçacıkları içeren karakteristik bir şekilde bozunması gerekirdi. Krakov’daki Polonya Bilimler Akademisi Nükleer Fizik Enstitüsü’nde, bu tür bozunmaların gerçekten meydana gelmesi durumunda, şu anda tasarlanmakta olan LHC’nin haleflerinde gözlemlenebilecekleri gösterilmiştir.
Ne zaman ‘gizli vadi’den bahsederken, ilk aklımıza sağlam bilimden çok ejderhalar gelir. Bununla birlikte, yüksek enerji fiziğinde, bu pitoresk ad, şu anda bilinen temel parçacıklar kümesini genişleten belirli modellere verilir. Bu sözde Gizli Vadi modellerinde, Standart Model tarafından tanımlanan dünyamızın parçacıkları düşük enerji grubuna aitken, egzotik parçacıklar yüksek enerji bölgesinde gizlenmiştir. Teorik değerlendirmeler, ünlü Higgs bozonunun egzotik bozunmasını önermektedir; bu, LHC hızlandırıcısında yıllarca süren araştırmalara rağmen gözlemlenmemiş bir şeydir. Bununla birlikte, Krakov’daki Polonya Bilimler Akademisi Nükleer Fizik Enstitüsü’ndeki (IFJ PAN) bilim adamları, Higgs’in egzotik parçacıklara bozunmasının, Büyük Hadron Çarpıştırıcısının halefi olan hızlandırıcılarda zaten mükemmel bir şekilde gözlemlenebilir olması gerektiğini savunuyorlar – eğer Gizli Vadi modelleri dönerse
“Gizli Vadi modellerinde, bir enerji bariyeriyle ayrılmış iki parçacık grubumuz var. Teori, belirli koşullar altında bu engeli geçebilecek egzotik büyük parçacıklar olabileceğidir. Higgs bozonu veya varsayımsal Z’ bozonu gibi parçacıklar, her iki dünyanın parçacıkları arasında iletişimciler olarak işlev görür. Journal of High Energy Physics dergisindeki bir makalenin baş yazarı Prof. Marcin Kucharczyk (IFJ PAN), Standart Model’in en büyük parçacıklarından biri olan Higgs bozonu, böyle bir iletişimci için çok iyi bir aday,” diye açıklıyor. gelecekteki lepton hızlandırıcılarda Higgs bozon bozunmalarını tespit etme olasılığına ilişkin en son analizleri ve simülasyonları sunar.
İletişim cihazı, düşük enerji bölgesine geçtikten sonra, oldukça büyük iki egzotik parçacığa bozunur. Bunların her biri, pikosaniyeler (yani saniyenin trilyonda biri) cinsinden, daha da küçük kütlelere sahip başka iki parçacığa bozunur ve bu durumda Standart Model içinde yer alır. Peki gelecekteki hızlandırıcıların dedektörlerinde hangi işaretler beklenebilir? Higgs’in kendisi, iki Saklı Vadi parçacığı gibi fark edilmeden kalacaktı. Bununla birlikte, egzotik parçacıklar kademeli olarak farklılaşacak ve sonunda, parçacık jetleri lepton ışınının ekseninden kayarken, genellikle modern dedektörlerde görülebilen kuark-antikuark güzellik çiftlerine dönüşecekti.
Arama gelecekteki lepton çarpıştırıcılarında egzotik Higgs bozonu bozunmaları için: 1) karşıt ışınlardan gelen bir elektron ve bir pozitron çarpışır; 2) çarpışma, yüksek enerjili bir Higgs bozonu üretir; 3) bozon, ışınların ekseninden uzaklaşan iki egzotik parçacığa bozunur; 4) egzotik parçacıklar, dedektörler tarafından görülebilen kuark-antikuark çiftlerine ayrışır. Kredi: IFJ PAN
“Bu nedenle, Higgs bozonu bozunmalarına ilişkin gözlemler, kuark-antikuark çiftleri tarafından üretilen parçacık jetlerinin aranmasını içerecektir. Egzotik parçacıkların çürümüş olma ihtimalinin yüksek olduğu yerleri bulmak için izlerinin geriye dönük olarak yeniden oluşturulması gerekecek. Profesyonel olarak bozunma köşeleri olarak adlandırılan bu yerler, çiftler halinde görünmelidir ve hızlandırıcıdaki çarpışan ışınların eksenine göre karakteristik olarak kaydırılmalıdır. Bu kaymaların boyutu, diğer şeylerin yanı sıra, Higgs bozunması sırasında ortaya çıkan egzotik parçacıkların kütlelerine ve ortalama yaşam sürelerine bağlıdır” diyor. (IFJ PAN), söz konusu makalenin ortak yazarı.
Şu anda dünyanın en büyük parçacık hızlandırıcısı olan LHC’deki protonların çarpışma enerjisi, birkaç teraelektronvolta kadardır ve teorik olarak, Higgs’i üretebilen Higgs’i üretmek için yeterlidir. dünyamızı Saklı Vadi’den ayıran enerji bariyerini geçmek. Ne yazık ki, protonlar temel parçacıklar değildir – kuark-antikuark çiftleri de dahil olmak üzere sürekli olarak görünen ve kaybolan çok sayıda sanal parçacık üretme yeteneğine sahip, güçlü etkileşimlerle birbirine bağlı üç değerlik kuarkından oluşurlar. Böylesine dinamik ve karmaşık bir iç yapı, proton çarpışmalarında büyük kütleli birçok kuark ve antikuark dahil olmak üzere çok sayıda ikincil parçacık üretir. Aranmakta olan egzotik Higgs bozon bozunmalarından gelen parçacıkları bulmanın neredeyse imkansız hale geldiği bir arka plan oluştururlar.
Bu durumlara olası Higgs bozunmalarının tespiti, ardıl olarak tasarlanan hızlandırıcılar tarafından kökten iyileştirilmelidir. LHC’ye: CLIC (Kompakt Doğrusal Çarpıştırıcı) ve FCC (Gelecek Dairesel Çarpıştırıcı). Her iki cihazda da, elektronları anti-materyal ortakları olan pozitronlarla çarpışmak mümkün olacaktır (CLIC ile bu tür bir çarpışmaya ayrılmışken, FCC ayrıca protonların ve ağır iyonların çarpışmasına da izin verecektir). Elektronlar ve pozitronlar iç yapıdan yoksundur, bu nedenle egzotik Higgs bozon bozunmalarının arka planı LHC’dekinden daha zayıf olmalıdır. Sadece değerli sinyali ayırt etmek için yeterli olacak mı?
IFJ PAN’dan fizikçiler araştırmalarında CLIC ve FCC hızlandırıcılarının en önemli parametrelerini dikkate aldılar ve egzotik Higgs bozunmalarının nihai dört güzellik kuark ve antikuark şeklinde ifade eder. Tahminlerin daha geniş bir model grubunu kapsamasını sağlamak için egzotik parçacıkların kütleleri ve ortalama ömürleri, uygun şekilde geniş değer aralıkları üzerinden değerlendirildi. Sonuçlar şaşırtıcı derecede olumlu: Tüm göstergeler, gelecekteki elektron-pozitron çarpıştırıcılarında, egzotik Higgs bozunmalarının arka planının, birkaç büyüklük mertebesi kadar radikal bir şekilde azaltılabileceğini ve hatta bazı durumlarda ihmal edilebilir olarak kabul edilebileceğini gösteriyor.
{ 6}Parçacık iletişimcilerinin varlığı yalnızca Saklı Vadi modellerinde değil, Standart Modelin diğer uzantılarında da mümkündür. Dolayısıyla, gelecekteki hızlandırıcıların dedektörleri, Cracow araştırmacıları tarafından analiz edilen Higgs bozunmalarına karşılık gelen bir imza kaydederse, bu, yeni fiziği anlama yolundaki ilk adım olacaktır. Bundan sonraki adım, yeterince fazla sayıda olay toplamak ve yeni fiziğin teorik modellerinin tahminleriyle karşılaştırılabilecek ana bozunum parametrelerini belirlemek olacaktır.
“Bu nedenle, çalışmamızın ana sonucu tamamen pratiktir. . Higgs bozon bozunmalarında yer alan yeni fizik parçacıklarının kullandığımız Saklı Vadi modeline ait olup olmayacağından emin değiliz. Bununla birlikte, bu modeli yeni fizik için birçok başka önerinin temsilcisi olarak ele aldık ve model tarafından tahmin edildiği gibi, Higgs bozonlarının egzotik parçacıklara bozunması durumunda, bu fenomenin şu elektron ve pozitron çarpıştırıcılarında mükemmel bir şekilde görülebileceğini gösterdik. yakın gelecekte fırlatılması planlanıyor,” diye bitiriyor Prof. Kucharczyk.
Referans: “CLIC’de son durumda jet çiftleri olan uzun ömürlü parçacıklara Higgs bozonunun egzotik bozunmalarını araştırın”, yazan Marcin Kucharczyk ve Mateusz Goncerz, 17 Mart 2023, Journal of High Energy Physics.
DOI: 10.1007/JHEP03(2023)131
Söz konusu araştırma, ABD’den bir OPUS hibesi ile finanse edildi. Polonya Ulusal Bilim Merkezi.