8 نوامبر 2024-بوزون هیگز-© shutterstock/Andrey VP
ذره گریزان بوزون هیگز، که در برخورد دهنده بزرگ هادرون (LHC) سرن در سال 2012 کشف شد، به سنگ بنای درک فیزیک ذرات و مدل استاندارد تبدیل شده است.با این حال، دانشمندان هنوز با یک سوال عمده دست و پنجه نرم می کنند: آیا برهم کنش بین بوزون های هیگز می تواند بینش هایی را در مورد فیزیک جدید باز کند؟
آزمایش‌های اخیر از همکاری ATLAS سرن در حال بررسی عمیق‌تر این امکان است و اندازه‌گیری‌های دقیق خواص بوزون هیگز را با جستجوی مداوم برای سرنخ‌هایی از فیزیک ناشناخته فراتر از مدل استاندارد ترکیب می‌کند.
کاوش مدل استاندارد و جستجوی فیزیک جدید
LHC به دلیل موفقیت خود در تأیید مدل استاندارد، چارچوبی که ذرات بنیادی و تعاملات آنها را توصیف می کند، مشهور است.بوزون هیگز که به عنوان ذره ای که به ذرات دیگر جرم می دهد شناسایی می شود، آخرین قطعه گمشده این پازل بود.با این حال، علیرغم تأثیر عمیق آن، دانشمندان نیز با ناامیدی مواجه هستند: علیرغم اکتشافات گسترده، هیچ مدرک مستقیمی که به فیزیک فراتر از مدل استاندارد اشاره کند، به دست نیامده است.
محققان در CERN اکنون در حال نوآوری در رویکردهای خود هستند و از تکنیک های بسیار پیشرفته برای بررسی اینکه آیا بوزون های هیگز می توانند دروازه هایی برای پدیده های هنوز کشف نشده باشند استفاده می کنند.
آزمایش ATLAS، یکی از آزمایش‌های اصلی انجام‌شده در LHC، اخیراً بر مطالعه چگونگی تعامل بوزون‌های هیگز با یکدیگر متمرکز شده است.
این مطالعه اخیر به رویدادهایی اشاره می کند که می توانند جفت بوزون هیگز را تولید کنند، که ممکن است سپس به ذراتی مانند الکترون و میون از خانواده لپتون ها تجزیه شوند.
چرا تولید جفت بوزون هیگز کلید فیزیک جدید است؟
تحت مدل استاندارد، جفت بوزون هیگز واقعاً می تواند تولید شود، اگرچه این رویدادها فوق العاده نادر هستند.
در واقع آنقدر نادر است که تاکنون چنین رویدادی در داده های جمع آوری شده مشاهده نشده است. با این حال، برخی از مدل‌های نظری فراتر از مدل استاندارد نشان می‌دهند که جفت‌های بوزون هیگز می‌توانند با نرخی بالاتر از حد انتظار تولید شوند.
اگر دانشمندان این فعل و انفعالات را با استفاده از داده‌های موجود شناسایی کنند، می‌تواند یک پیشرفت بزرگ باشد و به وجود پدیده‌های فیزیک اشاره کند که هنوز آنها را درک نکرده‌ایم.
در این مطالعه، محققان ATLAS شبیه‌سازی‌هایی را برای مدل‌سازی سیگنال‌های بالقوه رویدادهای جفت بوزون هیگز انجام دادند.آنها سپس این مدل‌ها را با داده‌های موجود از آشکارسازهایشان، با استفاده از تکنیک‌های پیشرفته یادگیری ماشین، از جمله درخت‌های تصمیم‌گیری، برای شناسایی سیگنال‌های احتمالی در میان مقادیر وسیعی از نویز پس‌زمینه مقایسه کردند.اگرچه هیچ سیگنال جدید قطعی شناسایی نشد، این کار زمینه را برای تحقیقات آینده فراهم می کند و پتانسیل روش های تشخیص پیشرفته را نشان می دهد.
غلبه بر چالش های تشخیص برهمکنش های بوزون هیگز
یکی از بزرگترین چالش ها در مطالعه جفت بوزون هیگز نادر بودن آنهاست. بوزون های هیگز فقط در طول برخورد پروتون در LHC به طور گذرا ظاهر می شوند و تولید دو مورد از آنها در یک برخورد یک رویداد حتی نادرتر است.
این کمبود به این معنی است که حتی آشکارسازهای قدرتمندی مانند ATLAS هنوز این جفت ها را مشاهده نکرده اند. برای پرداختن به این موضوع، دانشمندان به شبیه‌سازی‌های پیچیده‌تر تکیه می‌کنند تا پیش‌بینی کنند که این تعاملات در مدل استاندارد چگونه به نظر می‌رسند.
تجزیه و تحلیل اخیر تیم ATLAS از تکنیک‌های نرمال‌سازی آماری برای مقایسه سیگنال‌های شبیه‌سازی شده با الگوهای داده‌های مورد انتظار، جست‌وجوی مغایرت‌هایی که می‌توانند فرآیندهای فیزیکی ناشناخته را نشان دهند، استفاده کرد.اگرچه هیچ انحرافی تشخیص داده نشد، این کار محدودیت‌های ارزشمندی را به مرز احتمالات «فیزیک جدید» اضافه می‌کند.
آنچه در آینده در انتظارش است
با ارتقای عمده LHC که برای سال های آینده در نظر گرفته شده است، برخورد دهنده به زودی به افزایش ده برابری در شدت پرتو خواهد رسید.این افزایش تعداد بسیار بیشتری از برخوردهای پروتون ثبت شده را امکان پذیر می کند و به طور چشمگیری پتانسیل تشخیص رویدادهای نادر مانند تولید جفت بوزون هیگز را بهبود می بخشد.این پیشرفت‌های آتی دانشمندان را امیدوار می‌سازد که نسل بعدی آزمایش‌ها تصویر واضح‌تری از برهمکنش‌های بوزون هیگز و احتمالاً نشانه‌هایی از فیزیک فراتر از مدل استاندارد را آشکار کند.
این مطالعه آزمایشی اخیر ATLAS لایه مهمی را به تحقیقات بوزون هیگز اضافه می‌کند، حتی اگر نشان می‌دهد که چگونه شواهد مبهم برای فیزیک جدید باقی مانده است.با اصلاح محدودیت‌های فعلی در پارامترهای تولید بوزون هیگز، دانشمندان می‌توانند تحقیقات هدفمندتری را دنبال کنند و شاید در دهه آینده، اولین مشاهدات مستقیم جفت‌های بوزون هیگز را ثبت کنند.
