Scientists may have observed the Higgs boson doing a new trick: creating pairs of muons.

When the Higgs boson was discovered at the Large Hadron Collider (LHC) in 2012, it was the final piece of Standard Model of particle physics puzzle, a particle that had been— long theorized to exist alongside quarks, electrons, neutrinos, muons, gluons, photons and the other known particles, but never before seen. Its role: the physical manifestation of the Higgs field, a feature of the universe that physicists believe endows particles with mass. Particles that wade through the field as if it were super-thick molasses, have greater mass than those that zip through more easily. 

Another way to look at it: The greater the mass, the more strongly that elementary particle interacts, or couples, with the Higgs boson (and its field). 

One way to prove a coupling between Higgs and other particles is to look at its decay products. The existence of the Higgs boson is fleeting — once it pops up, the particle „lives” for just 15.6 thousand-billion-billions (1.56×10^-22) of a second — almost immediately breaking apart into other particles. 

Every time physicists spot a new Higgs-decay particle, that proves a „coupling” between the Higgs and the particles that come out of its decay, physicists say. And that coupling proves that the Higgs field does indeed imbue the emergent particle with mass. 

That’s why since the Higgs’ discovery, researchers have been searching for hints of these decay products. 

Usually, the Higgs decays into more massive particles, like pairs of bottom quarks. But create enough Higgs bosons in the LHC and some of them should decay into the more lightweight particles to which it couples, like muons.

If the Higgs is decaying into two muons at the LHC, it’s one of the rarest decays we could detect for the so-called „God particle.” And it would prove muon-Higgs coupling for the first time — demonstrating once again that an elementary particle gets its mass from the Higgs field.

Right now, there’s compelling but not yet overwhelming evidence that the Higgs is decaying into muon pairs in the LHC. Researchers working on data from the Compact Muon Solenoid (CMS), one of the LHC’s several particle detectors, found an „excess” of muons flying around the LHC.

The LHC, an environment full of intense, colliding protons, has lots of ways of accidentally producing muons. Proving that the Higgs is decaying into muon pairs means finding a subtle signal of extra muons against lots of background noise.

The excess doesn’t amount to much, Spiropulu told Live Science. Looking at the raw data, even with a trained eye, you might not think anything of it. But with the aid of machine-learning algorithms, the researchers showed that this tiny crop of unexplained muons has just a 0.27% of emerging by random chance. Physicists call that level of certainty that they’ve found a signal and not just noise „three sigma.”

Typically, a discovery isn’t considered proven until it reaches „five sigma,” equivalent to a 0.00006% chance of being an artifact of background noise. So Spiropulu was careful to say that a Higgs-muon coupling hasn’t been proven yet.

Researchers working on ATLAS, a related LHC experiment, also found evidence for Higgs-muon coupling, but at just two sigma. That amounts to a 4.5% chance their signal was just background noise.

Still, the CMS discovery —— posted July 29 to the CMS website —— is reason to start getting excited. If more data pushes the confidence level to five sigma, Spiropulu said, it could help confirm an exponential relationship between the mass of a Higgs decay product and how often the boson decays into that particle. Physicists believe that the frequency of the Higgs boson’s decay into each particle it couples with can be predicted by the square of that particle’s mass, so heavier particles turn up much more often. This finding could help prove that if the frequency matches the prediction.

Spiropulu said that the LHC is now probably pushing the limits of its sensitivity in terms of detecting lighter Higgs decay products. The collider certainly isn’t powerful or sensitive enough to produce enough Higgs-electron decays for anyone to measure, for example. And it’s nowhere near the level of equipment needed to measure coupling between the Higgs and ultralight neutrinos.

Future detectors will have an advantage over the LHC, she said. The collider was built big and blunt, blasting protons at each other and covering a wide energy range, because physicists didn’t yet know the mass of the Higgs — a critical detail for producing the particle.

Future colliders might be fine-tuned to the Higgs mass, and produce enough events to turn up even rarer couplings. And as the detectors get more sensitive, she said, they may turn up discrepancies with the Standard Model, leading the way toward new physics ideas.

Este posibil ca oamenii de știință să fi observat bosonul Higgs făcând un nou truc: crearea de perechi de muoni.
Când bosonul Higgs a fost descoperit la Large Hadron Collider (LHC) în 2012, a fost piesa finală a puzzle-ului Model standard al fizicii particulelor, o particulă care fusese – teoretizată de mult timp să existe alături de quarks, electroni, neutrini, muoni, gluoni. , fotoni și celelalte particule cunoscute, dar niciodată văzute până acum. Rolul său: manifestarea fizică a câmpului Higgs, o caracteristică a universului despre care fizicienii cred că conferă particulelor masă. Particulele care străbat câmpul ca și cum ar fi melasă super-groasă, au o masă mai mare decât cele care traversează mai ușor.

O altă modalitate de a o privi: cu cât masa este mai mare, cu atât particula elementară interacționează sau se cuplează mai puternic cu bosonul Higgs (și câmpul său).

O modalitate de a dovedi o cuplare între Higgs și alte particule este de a analiza produsele sale de degradare. Existența bosonului Higgs este trecătoare – odată ce apare, particula „trăiește” doar 15,6 mii de miliarde de miliarde (1,56×10 ^ -22) de secunde – aproape imediat despărțindu-se în alte particule.

De fiecare dată când fizicienii observă o nouă particulă de dezintegrare Higgs, care dovedește o „cuplare” între Higgs și particulele care ies din dezintegrarea sa, spun fizicienii. Și această cuplare dovedește că câmpul Higgs impregnează într-adevăr particula emergentă cu masă.

De aceea, de la descoperirea lui Higgs, cercetătorii au căutat indicii despre aceste produse de degradare.

De obicei, Higgs se descompune în particule mai masive, ca perechi de quarcuri. Dar creând suficient bosoni Higgs în LHC unii dintre ei ar trebui să se descompună în particulele mai ușoare cu care se cuplează, cum ar fi muonii.

Dacă Higgs se descompune în doi muoni la LHC, este una dintre cele mai rare modificări pe care le-am putea detecta pentru așa-numita „particulă a lui Dumnezeu”. Și s-ar dovedi cuplarea muon-Higgs pentru prima dată – demonstrând încă o dată că o particulă elementară își obține masa din câmpul Higgs.

În acest moment, există dovezi convingătoare, dar încă nu copleșitoare, că Higgs se descompune în perechi de muoni în LHC. Cercetătorii care lucrează la date de la Solenoidul compact de muoni (CMS), unul dintre detectoarele de particule ale LHC, au găsit un „exces” de muoni care zboară în jurul LHC.

LHC, un mediu plin de protoni intensi, care se ciocnesc, are o mulțime de modalități de a produce muoni în mod accidental. A demonstra că Higgs se descompune în perechi de muoni înseamnă găsirea unui semnal subtil de muoni suplimentari împotriva multor zgomote de fond.

Excesul nu se ridică prea mult, a spus Spiropulu pentru Live Science. Privind datele brute, chiar și cu un ochi instruit, s-ar putea să nu vă gândiți la nimic. Dar, cu ajutorul algoritmilor de învățare automată, cercetătorii au arătat că această mică recoltă de muoni inexplicabili are doar 0,27% din apariții întâmplătoare. Fizicienii numesc acel nivel de certitudine că au găsit un semnal și nu doar zgomotul „trei sigme”.

De obicei, o descoperire nu este considerată dovedită până când nu atinge „cinci sigme”, echivalentă cu 0,00006% șanse de a fi un artefact al zgomotului de fond. Așadar, Spiropulu a fost atent să spună că nu a fost încă dovedită o cuplare Higgs-muon.

Cercetătorii care lucrează la ATLAS, un experiment LHC înrudit, au găsit, de asemenea, dovezi pentru cuplarea Higgs-muon, dar la doar două sigma. Aceasta înseamnă o șansă de 4,5% ca semnalul lor să fie doar zgomot de fond.

Cu toate acestea, descoperirea CMS – publicată pe 29 iulie pe site-ul CMS – este un motiv pentru a începe să ne încântăm. Dacă mai multe date împing nivelul de încredere la cinci sigme, a spus Spiropulu, ar putea ajuta la confirmarea unei relații exponențiale între masa unui produs de dezintegrare Higgs și cât de des se descompune bosonul în acea particulă. Fizicienii cred că frecvența decăderii bosonului Higgs în fiecare particulă cu care se cuplează poate fi prezisă de pătratul masei respectivei particule, astfel încât particulele mai grele apar mult mai des. Această constatare ar putea ajuta la dovedirea faptului că dacă frecvența se potrivește cu previziunea.

Spiropulu a spus că LHC acum depășește probabil limitele sensibilității sale în ceea ce privește detectarea produselor mai ușoare de degradare Higgs. Cu siguranță, colizorul nu este suficient de puternic sau sensibil pentru a produce suficient decădere de electroni Higgs pentru ca oricine să poată măsura, de exemplu. Și nu este nici pe departe nivelul echipamentului necesar pentru a măsura cuplarea dintre neutrini Higgs și ultralight.

Viitoarele detectoare vor avea un avantaj față de LHC, a spus ea. Colizorul a fost construit mare și contondent, aruncând protoni unul spre celălalt și acoperind o gamă largă de energii, deoarece fizicienii nu știau încă masa lui Higgs – un detaliu critic pentru producerea particulei.

Viitoarele colizioane ar putea fi adaptate la masa Higgs și ar produce suficiente evenimente pentru a obține cuplaje și mai rare. Și pe măsură ce detectoarele devin mai sensibile, a spus ea, acestea pot genera discrepanțe cu modelul standard, conducând spre noi idei de fizică.

Vă întrebați pentru ce toată această zbatere?!

Ei bine, este vorba de acest mare mister care se numește gravitația. Odată descoperită particula, sau șirul de evenimente ce induc starea gravitațională, atunci vom putea să creăm și antigravitație devenind stăpânii materiei. (Notă M.T.)