Výsledky experimentu DELPHI na urychlovači LEP v CERN

Experimentální činnost oddělení je v současnosti soustředěna na experiment ATLAS na urychlovači LHC v CERN. Urychlovač teprve v tomto roce 2010 začal poskytovat experimentům experimentální data při dosud rekordních energiích. Stále se pracuje na vyladění jeho parametrů, objem zaznamenaných dat bude s jejich zlepšováním podstatně vzrůstat. Fyzikální objevy spjaté s urychlovačem LHC lze proto očekávat až v následujících letech. Významné fyzikální výsledky, na nichž se pracovníci oddělení podíleli, se vztahují k předchozí éře experimentování v CERN - k experimetu DELPHI na urychlovači elektronových a pozitronových vstřícných svazků LEP.

Stanovení počtu generací lehkých neutrin

Jedním z velmi významných výsledků experimentů na urychlovači LEP v CERN, na němž se podílel i výzkumný tým experimentu DELPHI a v jeho rámci fyzikové z FZÚ, je stanovení počtu rodin (či generací) fundamentálních částic na základě přesného měření rozpadové šířky neutrálního intermediálního vektorového bosonu slabých interakcí Z0.

Tato veličina závisí na počtu rozpadových kanálů, tedy počtu typů částic, na něž se Z0 může rozpadat. Změřená hodnota rozpadové šířky souhlasí s výpočty standardního modelu pro 3 generace částic. Všechny částice patřící do těchto tří generací známe – byly experimentálně potvrzeny (kvarky u a d, elektron a elektronové neutrino; kvarky c a s, mion a mionové neutrino; kvarky t(top) a b, lepton tau a tau-neutrino). Významnou vlastností neutrin je, že mají velmi malou hmotnost. Pokud by existovaly další generace podobné oněm třem známým, tj. opět s velmi lehkými neutriny, částice Z0 by se mohla rozpadat na páry těchto nových neutrin, měla by tedy další rozpadové kanály a to by se pozorovalo jako jiná (větší) hodnota rozpadové šířky. Protože se nic takového nepozoruje, vyplývá z toho, že neexistuje více generací částic s lehkými neutriny než nám známé tři.

 

Účinný průřez srážek e+e- jako funkce těžišťové energie v oblasti klidové hmotnosti Z0. Z tvaru křivky popisující účinný průřez se stanovuje rozpadová šířka částice Z0. Barevné čáry odpovídají teoretickým výpočtům podle standardního modelu elektroslabých interakcí s různým počtem generací částic. Tmavé body označují naměřené hodnoty. ((c) DELPHI, CERN)

První publikace DELPHI, která přispěla k řešení tohoto problému, je práce [1], která vyšla krátce po spuštění urychlovače LEP v listopadu 1989. Obsahuje analýzu prvních zhruba 1000 rozpadů Z0 zaznamenaných detektorem DELPHI. Udává změřené hodnoty hmotnosti Z0

M_Z = 91,06 ± 0,09 (stat.) ± 0,05 (syst.) GeV/c²

a rozpadové šířky

Γ_Z = 2,42 ± 0,21 GeV .

To dává hodnotu pro počet lehkých neutrin (tedy počet generací)

N = 2,4 ± 0,4 (stat.) ± 0,5 (syst.)

Číslo je v souladu s počtem generací 3. Velké chyby jsou způsobeny statistikou - malým počtem analyzovaných případů. Přesto jde o dlouho očekávané a oceňované výsledky. Práce zaznamenala přes 290 citací.

S tím, jak přibýval počet zaznamenaných dat, se tato čísla zpřesňovala. Pro srovnání uvádíme výsledky konečné analýzy rozpadů Z0 po ukončení práce urychlovače LEP [2]. Byly získány kombinací výsledků všech čtyř experimentů LEP získaných na základě zpracování maximálního dostupného počtu případů, tj. s maximální statistikou. Mezi jejími spoluautory za DELPHI jsou opět fyzikové z FZÚ.

Po analýze 17 milionů rozpadů bosonu Z0 zaznamenaných v průběhu téměř 12 let činnosti urychlovače LEP byly získány hodnoty

M_Z = 91,1875 ± 0,0021 GeV/c²

Γ_Z= 2,4952 ± 0,0023 GeV

a na základě této veličiny hodnota pro počet druhů lehkých neutrin

N = 2,9840 ± 0,0082

Srovnání s první trojicí hodnot pro stejné veličiny ukazuje, jak podstatně se zlepšila přesnost měření. Poslední číslo je skutečně velmi blízko hodnotě 3.

Literatura
[1] Measurement of the Mass and Width of the Z0 Particle from Multi - Hadronic Final States Produced in e+ e- Annihilations (Phys.Lett.B231:539,1989)
[2] Precision Electroweak Measurements on the Z Resonance (Phys.Rept.427:257,2006)

Hledání Higgsova bosonu a stanovení dolní meze pro jeho hmotnost

Higgsův boson, jediný dosud neobjevený článek neuvěřitelně úspěšného standardního modelu v jeho základní podobě, částice, potvrzení jejíž existence by ujistilo fyziky, že v rámci standardního modelu rozumí mechanismu, jakým získávají fundamentální částice hmotnost, lze přirovnat ke svatému grálu současné experimentální fyziky částic.

Pátraní po Higgsově částici do dnešní doby nebylo úspěšné, ale i negativní výsledek umožňuje stanovit dolní hranici pro její hmotnost m_H. Ta závisí na energii dosahované při daném experimentu. Po dlouhou dobu představovaly nejvíce striktní ohraničení hmotnosti Higgsovy částice výsledky experimentů na LEP.

Pátrání po Higgsovu bosonu standardního modelu a stanovení dolní hranice pro jeho hmotnost bylo věnováno postupně několik publikací s tím, jak se zvyšovalo množství dat dostupných pro zpracování - např. samostatné publikace DELPHI [1], [2] nebo publikace pracovní skupiny "LEP Working Group" vzniklé na základě kombinace výsledků všech čtyř experimentů LEP s co nejvyšší statistikou [3]. Kromě jiného bylo pátráno i po částicích představujících složitější realizace Higgsova sektoru.

Stanovení ohraničení zdola pro hmotnost Higgsova bosonu standardního modelu m_H: Hladiny významnosti jako funkce m_H.
Horní obrázek: Testování hypotézy, že k datům přispívají efekty produkce a rozpadu Higgsova bosonu o hmotnosti m_H. Veličina 1-CL_b charakterizuje (ve statistickém smyslu) soulad pozorování s hypotézou, že zdrojem pozorovaných dat jsou pouze procesy pozadí. Plná křivka je zkonstruována z experimentálních dat, čárkovaná čára odpovídá střední očekávané hodnotě, pokud je přítomno pouze pozatí, čerchovaná čára odpovídá střední očekávané hodnotě pro případ signál + pozadí a byla získána na základě Monte-Carlo výpočtu. Signál (přítomnost Higgsova bosonu dané hmotnosti) by se v tomto obrázku projevil jako propad plné křivky směrem dolů. Hodnoty 2σ, 3σ... odpovídají standardním hodnotám hladiny významnosti.
Dolní obrázek: CL_s je hladina významnosti pro hypotézu, že zdrojem je signál. Křivky odpovídají očekávané střední hodnotě, pokud jsou přítomny jenom kanály pozadí (Monte Carlo výpočet – čárkovaná čára) a pozorovaným datům (plná čára). Pásy okolo čárkované křivky odpovídají hladinám významnosti 68,3% a 95% pro hypotézu, že jde jenom o procesy pozadí. Průsečíky křivek s hodnotou CL_s odpovídající 5% definují očekávanou a skutečně pozorovanou dolní hranici pro m_H na hladině významnosti 95%.
(Obrázek převzat z [2]).

Výsledkem analýz je závěr, že signál pro existenci Higgsova bosonu standardního modelu nebyl v dané oblasti energií na urychlovači LEP pozorován.

Ohraničení na m_H získané experimentem DELPHI je podle [2]
m_H > 114,1 GeV/c²
na hladině významnosti 95%.

Výsledek kombinované analýzy [3] je
m_H > 114,4 GeV/c²
na hladině významnosti 95%.

Je patrné, že u veličiny jako dolní ohraničení hmotnosti plynoucí z nepozorování signálu větší statistika výslednou hodnotu příliš neovlivnila.

Literatura
[1] Search for the standard model Higgs boson at LEP in the year 2000 (Phys.Lett.B499:23-37,2001)
[2] Final results from DELPHI on the searches for SM and MSSM neutral Higgs bosons (Eur.Phys.J.C32:145-183,2004)
[3] Search for the standard model Higgs boson at LEP (Phys.Lett.B565:61-75,2003)