​Zmierzono czas życia bozonu Higgsa z największą precyzją

Bozon Higgsa to jedna z najbardziej ulotnych cząstek świata fizyki. Po powstaniu w Wielkim Zderzaczu Hadronów (LHC), "żyje" zaledwie przez mniej niż bilionową część miliardowej części sekundy, a dokładniej przez 1,6 x 10 do potęgi -22 sekundy. Do tej pory udawało się zmierzyć żywotność "boskiej cząstki" jedynie szacunkowo, z dużą niepewnością. Teraz naukowcy z CERN dokonali postępu.

Fizycy od dawna starają się dokładnie zmierzyć czas życia bozonu Higgsa. Jest to o tyle istotne, że pozwoliłoby lepiej zrozumieć naturę samej cząstki, a także dowiedzieć się, czy jej właściwości są zgodne z Modelem Standardowym. Odchylenie od wartości teoretycznych wskazałoby, że z naszym rozumieniem bozonu Higgsa coś jest nie tak.

Pomiar długości życia bozonu Higgsa nie jest łatwy. Dlaczego? Przewidywany czas życia jest na tyle krótki, że nie da się go bezpośrednio zmierzyć. Da się to obejść dzięki pomiarowi tzw. szerokości masy, która jest odwrotnie proporcjonalna do żywotności. W przypadku bozonu Higgsa także ta detekcja jest skomplikowana.

Kiedy fizycy nie mają pomysłu na rozwiązanie jakiegoś problemu, zawsze z pomocą przychodzi mechanika kwantowa. Teorie wskazują, że cząstki o ultrakrótkim czasie życia (jak bozon Higgsa) powstając mogą nie tylko mieć równą masę, ale także odchyloną od wartości nominalnej, choć prawdopodobieństwo takiego zdarzenia jest małe. Efekt ten jest wynikiem tzw. zasady nieoznaczoności Heisenberga. 

Porównanie szybkości produkcji bozonów Higgsa o dużej masie z bozonami o masie zbliżonej do nominalnej można użyć do określenia szerokości masy boskiej cząstki, a więc i jego czasu życia. Taką metodę zastosowano w najnowszym eksperymencie. 

Naukowcy przeanalizowali dane zebrane w LHC dotyczyły bozonów Higgsa przekształcających się w dwa bozony Z, które z kolei zamieniają się w cztery naładowane leptony lub dwa naładowane leptony i dwa neutrina (wszystkie wymienione to rodzaje cząstek elementarnych). Co z tego wynika? Udało się określić dokładny czas życia bozonu Higgsa równy 2,1 x 10 do potęgi -22 s. Jest to najdokładniejszy pomiar w historii, zgodny z przewidywaniami Modelu Standardowego. To kamień milowy w badaniach nad właściwościami tej niezwykłej cząstki.