Phân rã hiếm hạt Higgs boson có thể chỉ ra thứ vật lý ngoài Mô hình chuẩn

Các nhà vật lý hạt đã dò được một phân rã mới của hạt Higgs boson lần đầu tiên, tiết lộ một khác biệt nhỏ trong những dự đoán của Mô hình chuẩn và có lẽ, chỉ ra một thứ vật lý mới nằm ngoài nó.

Các phát hiện mới được xuất bản trên tạp chí Physical Review Letters ¹.

Hạt Higgs boson được dự đoán về mặt lý thuyết từ những năm 1960 nhưng cuối cùng được tìm thấy vào năm 2012 tại CERN. Như một trường lượng tử, nó xuyên qua tất cả mọi chỗ trong không gian, xuyên qua các hạt khác đang chuyển động, thu về khối lượng qua tương tác của chúng với trường Higgs mà có thể được hình dung như một dạng trở lực với chuyển động của chúng.

Có nhiều đặc trưng của Higgs boson, bao gồm việc nó tương tác như thế nào với các hạt khác và những trường liên quan của nó, đã được đo đạc để phù hợp với những dự đoán của Mô hình chuẩn.

Nhưng có một kiểu phân rã của hạt Higgs vẫn còn chưa được nghiên cứu rõ là một dự đoán về mặt lý thuyết là một Higgs boson thi thoảng có thể phân rã và tạo ra một photon, ánh sáng của lượng tử, và một Z boson, vốn là một hạt không mang điện tích cùng với hai W boson truyền lực yếu.

Các nhà khoa học tham gia hai nhóm hợp tác ATLAS và CMS của CERN đã sử dụng dữ liệu từ các va chạm proton-proton thu được từ đợt Run 2, diễn ra từ năm 2015 đến 2018 để tìm phân rã Z+photon Higgs. Cỗ máy gia tốc hạt lớn LHC tại CERN là máy gia tốc năng lượng cao, đặt ở gần Geneva, Thụy Sĩ đã quay các proton theo các hướng ngược nhau trong khi để chúng va chạm tại các điểm đặt máy dò, hàng triệu lần mỗi giây.

Trong đợt vận hành máy gia tốc đó, năng lượng trong va chạm của hai proton là 13 nghìn tỉ electron-volts, ngay dưới mức đỉnh năng lượng của cỗ máy này. Để dễ hình dung, đó là động năng trung bình cho một con muỗi hay một hạt muối, di chuyển mỗi mét trên giây.

Những dự đoán lý thuyết là cứ khoảng 15 lần trong mỗi 10.000 phân rã, Higgs boson phải phân rã thành một Z boson và một photon, phân rã hiếm nhất trong Mô hình chuẩn. Đầu tiên, nó tạo ra một cặp quark đỉnh hoặc một cặp W boson mà bản thân chúng sau đó lại phân rã thành Z và photon.

Nhóm hợp tác Atlas/CMS, bao gồm hơn 9.000 nhà khoa học, tìm thấy một “tỉ lệ phân nhánh”, hay mảnh của các phân rã cứ 34 lần mỗi 10.000 phân rã, cộng hoặc trừ 11 trên 10.000 phân rã – tương đương 2,2 lần giá trị lý thuyết.

Phần được đo đạc quá lớn – 3,4 độ lệch chuẩn trên giá trị lý thuyết, một con số vẫn còn quá nhỏ để rút ra một sự ngẫu nhiên thống kê. Tuy vậy sự khác biệt lớn vẫn gợi ý khả năng có thể của một sự khác biệt có ý nghĩa với lý thuyết có thể từ thứ vật lý nằm ngoài Mô hình chuẩn – những hạt mới là những hạt trung gian khác với quark đỉnh và W boson.

Một khả năng khác của vật lý nằm ngoài Mô hình chuẩn là siêu đối xứng, một lý thuyết thừa nhận một đối xứng – một mối liên hệ – giữa các hạt có bán spin gọi là các fermion, và có spin nguyên, gọi là boson, với mỗi hạt đã biết đều có một phản hạt với một sự khác biệt spin bằng một nửa số nguyên.

Nhiều nhà vật lý lý thuyết đã tập trung vào siêu đối xứng vì nó có thể giải quyết được nhiều câu hỏi hóc búa với Mô hình chuẩn, như sự khác biệt về độ lớn (10²⁴) giữa cường độ của lực yếu và lực hấp dẫn, hay tại sao khối lượng của hạt Higgs boson, khoảng 125 gigaelectron-volts (GeV), lại nhỏ hơn nhiều so với thang năng lượng thống nhất lớn khoảng 1016 GeV.

Trong thực nghiệm, hạt Z boson phân rã trong khoảng 3 × 10^-25 giây, rất nhanh trước khi một máy dò chạm tới. Vì vậy, các nhà thực nghiệm phải nhìn vào mức năng lượng của hai electron hoặc hai muon mà phân rã Z có thể tạo ra, đòi hỏi sự kết hợp khối lượng của chúng lớn hơn 50 GeV, một phần đáng kể trong khối lượng Z, 91 GeV.

“Kết quả quá đẹp này có được trong hợp tác với nhóm CMS. Theo dự đoán của Mô hình chuẩn, trạng thái cuối cùng của Higgs boson hiếm nhất, đượcc chúng tôi xem là bằng chứng đầu tiên”, theo Andreas Hoecker, người phát ngôn của nhóm hợp tác ATLAS.

“Phân rã xuất hiện thông qua các vòng lượng tử và nhạy với một thứ vật lý mới theo cách tương tự nhưng không hoàn toàn giống như phân rã hai photon, cách mà ATLAS và CMS phát hiện ra Higgs boson vào năm 2012”.

“Những kết quả đó rất ấn tượng với nhiều lý do khác nhau”, Monica Dunford của nhóm hợp tác ATLAS nói. “Chúng tôi đã có thể đo đạc về mặt thực nghiệm với sự chính xác nhiều quá trình phân rã hiếm. Chúng là một kiểm nghiệm hữu hiệu cho Mô hình chuẩn và có thể là những lý thyết nằm ngoài nó”.

Dunford cho biết thêm là hai nhóm nghiên cứu đã có được dữ liệu mới từ Run 3 tại CERN, bắt đầu từ tháng 7/2022, với mức năng lượng 13,6 TeV. Thậm chí là sẽ có nhiều dữ liệu hơn sẽ tới từ High Luminosity Large Hadron Collider, vốn được dự báo sẽ cung cấp các cuộc va chạm proton-proton nhiều gấp năm lần mỗi giây. Cỗ máy lớn HL-LHC được dự đoán là sẽ được vận hành vào năm 2028.

“Những kết quả đó được coi như một bản xem trước về những gì chúng tôi sẽ có thể tiếp tục đạt được”, Dunford nói.

Thanh Đức tổng hợp

Nguồn: https://phys.org/news/2024-01-rare-decay-higgs-boson-physics.html

https://www.azoquantum.com/Article.aspx?ArticleID=460

—————————————-

1.https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.132.021803