Bozon Higgsa żyje bardzo krótko. Najdokładniejsze pomiary w historii

Fizykom udało się zmierzyć czas życia bozonu Higgsa, czyli “boskiej cząstki”, która jest kluczowym elementem układanki Wszechświata. Wiadomo, że żyje bilionową część miliardowej części sekundy, co potwierdziły ostatnie eksperymenty.
Zderzenia prowadzące do powstania bozonów Higgsa
Zderzenia prowadzące do powstania bozonów Higgsa

O istnieniu bozonu Higgsa wiemy już prawie 10 lat, bo detekcję tej cząstki potwierdzono w lipcu 2012 r. Mimo tego, wciąż o niej nie wiemy zbyt wiele. Tym, co spędza fizykom sen z powiek od dawna, jest czas życia bozonu Higgsa. Wiadomo, że jest on wręcz niewyobrażalnie krótki. Jak bardzo? Nowy eksperyment CERN daje jasną odpowiedź.

Żyje krótko, szybko umiera

Na potwierdzenie istnienia bozonu Higgsa trzeba było czekać blisko 50 lat. “Boska cząstka”, jak inaczej jest nazywany bozon Higgsa, swoją nazwę zawdzięcza Peterowi Higgsowi, który w 1964 r. sformułował hipotezę dotyczącą istnienia w próżni pola, dzięki któremu cząstki elementarne zyskują masę (poprzez pole Higgsa). Eksperymentalne potwierdzenie istnienia bozonu Higgsa uzyskano w 2012 r., a rok później fizyk został uhonorowany Nagrodą Nobla w dziedzinie fizyki.

Dokładny pomiar życia “boskiej cząstki” jest wysoko na liście życzeń fizyków, bo pozwoliłby im zweryfikować poprawność Modelu Standardowego. Niestety, wszelkie pomiary, w standardowym rozumieniu, nie wchodzą w grę. Wiadomo, że bozon Higgsa istnieje zaledwie bilionowe części miliardowych części sekundy, czego nie da się zmierzyć bezpośrednio.

Czytaj też: Bozon Higgsa – i co dalej?

Na pomoc przychodzi fizyka kwantowa i zjawisko tzw. szerokości bozonu Higgsa. Wiadomo, że bozon Higgsa rozpada się na inne cząstki (np. cztery naładowane leptony lub dwa naładowane leptony i dwa neutrina), a więc tempo ich pojawiania się może wskazywać na czas życia bozonu Higgsa. Zależność tą wykorzystano w detektorze CMS przy Wielkim Zderzaczu Hadronów (LHC) w CERN.

Naukowcom udało się zmierzyć dokładny czas życia bozonu Higgsa równy 2,1 x 10-22 sekundy, z niepewnością wynoszącą (+2,3/-0,9) x 10-22 sekundy. Jest to najdokładniejsza wartość dotycząca czasu życia bozonu Higgsa, która dodatkowo jest zgodna z przewidywaniami Modelu Standardowego.

Nasz wynik pokazuje, że produkcja bozonu Higgsa poza powłoką może być doskonałym sposobem na zmierzenie czasu życia bozonu Higgsa. To kamień milowy w badaniach nad właściwościami tej wyjątkowej cząstki. Oczekujemy, że poprawimy precyzję pomiarów w najbliższych latach dzięki danym z kolejnych rund LHC.Pascal Vanlaer, fizyk z CMS