CERN nehlásí pád Standardního modelu. Záhada mezonů B však trvá

Nejnovější výsledky z Velkého hadronového urychlovače (LHC) nepřinášejí potvrzení, že by Standardní model částicové fyziky selhával. Ukazují ale dvě velmi odlišné věci: LHCb znovu narazil na přetrvávající nesoulad v přesném měření rozpadu mezonu B, zatímco ATLAS a CMS teprve postupně zpřesňují hledání produkce dvojic Higgsových bosonů. 11733

Rychlý verdikt

• LHCb: V rozpadu B⁰ → K*⁰μ⁺μ⁻ přetrvává napětí v úhlové veličině P′₅, diferenciálním rozvětvovacím poměru a dalších údajích o rozpadu. Při některých způsobech započtení teoretických nejistot se kombinované odchylky blíží 4σ. To je zajímavý signál, nikoli však objev nové fyziky. 1
• ATLAS: V kanálu HH → bb̄τ⁺τ⁻ vychází naměřená četnost produkce Higgových párů na 2,6 ± 1,4násobek předpovědi Standardního modelu. Signifikance 2,6σ se vztahuje k porovnání s hypotézou bez signálu, nikoli k odmítnutí samotného Standardního modelu. Ve srovnání s jeho předpovědí je výsledek asi 1,65σ nad očekáváním, a zůstává tedy slučitelný s teorií. 33
• CMS: Kombinovaná analýza stanovila horní limit ve výši čtyřnásobku předpovědi Standardního modelu pro celkovou produkci Higgových párů při 95% hladině spolehlivosti. Neznamená to, že CMS naměřil čtyřikrát vyšší produkci. 17

Rozdíl mezi výsledky je podstatný. LHCb porovnává velmi přesné měření vzácného rozpadu s konkrétní teoretickou předpovědí. ATLAS a CMS se naproti tomu stále snaží samotnou vzácnou produkci dvojic Higgových bosonů přesvědčivě pozorovat a změřit sílu Higgovy vlastní interakce.

Proč je rozpad mezonu B tak citlivým testem

Rozpad B⁰ → K*⁰μ⁺μ⁻ patří mezi procesy měnící vůni kvarku bez změny elektrického náboje. Ve Standardním modelu neprobíhá jednoduchou interakcí na stromové úrovni, ale prostřednictvím potlačených kvantových procesů. Právě proto může být citlivý na drobné změny v základní interakci b → sμ⁺μ⁻, které by mohly způsobit dosud nepozorované částice nebo síly.

Nejnovější analýza LHCb využívá data z let 2011–2012 a 2016–2018, tedy z prvního a druhého období provozu LHC. Jde o dosud nejpodrobnější studii tohoto rozpadu. Zahrnuje širší soubor úhlových veličin, diferenciální rozvětvovací poměr v závislosti na invariantní hmotnosti dvojice mionů a také příspěvky dalších stavů ve výsledném systému. 18

Důležitý není jeden izolovaný údaj, ale celkový vzorec výsledků. V několika veličinách se měření stále liší od výpočtů Standardního modelu. Patří mezi ně známé napětí ve veličině P′₅, rozdíly v diferenciálním rozvětvovacím poměru a informace o asymetrii mezi miony letícími dopředu a dozadu. 359

Přidání dalších dat tedy dřívější vzorec jednoduše nevymazalo. Samotná přetrvávající odchylka však ještě nedokazuje existenci nové částice ani nové síly.

Co znamená téměř 4σ

Signifikance kolem 4σ znamená, že naměřený vzorec je při určitém porovnání se Standardním modelem neobvyklý. Neznamená však automaticky, že jde o modelově nezávislý objev nové fyziky na úrovni 4σ.

Výsledek závisí také na výpočtu silných interakcí uvnitř rozpadu mezonu B. Tyto hadronové účinky se obtížně počítají s vysokou přesností. Pokud jsou jejich nejistoty podhodnocené, může vypadat rozdíl mezi experimentem a teorií větší, než ve skutečnosti je. CERN proto u nové analýzy LHCb zdůrazňuje potřebu dalších dat a přesnějších teoretických výpočtů. 157

Číslo 4σ tedy není konečným „skóre“ Standardního modelu. Fyzikové budou hledat stejný efekt v příbuzných rozpadech, v jiných oblastech kinematického prostoru a v nezávislých experimentech. Zároveň musí ověřit, zda je teoretický popis dostatečně spolehlivý.

Mohou za anomálii kvarky půvabu?

Jedním z možných vysvětlení, které nevyžaduje novou fyziku, jsou takzvané dlouhodosahové účinky půvabných kvarků. V odborné literatuře se pro ně někdy používá označení „charming penguins“.

Zjednodušeně řečeno může rozpad probíhat přes virtuální smyčku půvabných kvarků: proces b → s c c̄ se následně projeví v systému μ⁺μ⁻. Rezonance půvabných částic a jejich dlouhodosahové účinky silné interakce mohou změnit amplitudu rozpadu a interferovat s krátkodosahovým procesem, který LHCb testuje.

Takový mechanismus by mohl napodobit změnu základní interakce b → sμ⁺μ⁻ a pozměnit úhlové rozdělení nebo četnost rozpadu. Dodané materiály CERNu tuto otázku definitivně neuzavírají. Zodpovědný závěr proto zní: vysvětlení pomocí účinků kvarků půvabu zůstává možné, stejně jako hypotéza nové fyziky.

Co zjistil ATLAS při hledání dvojic Higgových bosonů

Produkce dvojice Higgových bosonů představuje jiný typ testu. Umožňuje zkoumat Higgsův potenciál a zejména trojitou vlastní vazbu Higgsova bosonu. V jednom z relevantních mechanismů se virtuální Higgsův boson rozpadá na dva Higgovy bosony, takže četnost procesu závisí na tom, jak Higgsovo pole interaguje samo se sebou.

ATLAS zkombinoval 196 fb⁻¹ dat z proton-protonových srážek z druhého období provozu LHC a začátku třetího období. V kanálu HH → bb̄τ⁺τ⁻ vyšla naměřená četnost na 2,6 ± 1,4násobek předpovědi Standardního modelu. Ve srovnání s hypotézou bez signálu odpovídá výsledek signifikanci 2,6σ. Při přímém srovnání s očekáváním Standardního modelu je však pouze asi 1,65σ nad jeho hodnotou, takže s ním zůstává slučitelný. 33

To je klíčový statistický rozdíl. „Máme náznak signálu oproti pozadí“ není totéž jako „naměřený signál odporuje Standardnímu modelu“. Výsledek ATLAS je povzbudivý pro další hledání produkce Higgových párů, ale nepředstavuje potvrzenou trhlinu v současné teorii.

Jak číst výsledek CMS se čtyřnásobným limitem

CMS analyzoval 172 fb⁻¹ dat nasbíraných v letech 2022–2024 a zkombinoval je s dřívějšími daty z druhého období provozu. Výsledný pozorovaný horní limit činí při 95% hladině spolehlivosti čtyřnásobek předpovědi Standardního modelu pro celkový účinný průřez produkce Higgových párů. 17

Horní limit odpovídá na otázku: Jak velká by produkce ještě mohla být, aby zůstala slučitelná s naměřenými daty? Neříká, že byla naměřena produkce čtyřikrát vyšší než teoretické očekávání.

Výsledky CMS a ATLAS si proto neodporují. ATLAS uvádí centrální hodnotu vyšší než jedna, ale s velkou nejistotou. CMS stanovuje maximální dosud slučitelnou hodnotu. Oba výsledky jsou v rámci nejistot slučitelné se Standardním modelem.

Co výsledky říkají o vlastní vazbě Higgsova bosonu

Hledání Higgových párů omezuje hodnotu vlastní vazby Higgsova bosonu, obvykle označované λ₃ nebo vyjadřované relativně vůči hodnotě Standardního modelu. Omezení se zlepšují, ale povolený interval je stále široký a zahrnuje i předpověď Standardního modelu. Jedna z analýz ATLAS například omezila tuto vazbu na interval od −1,5 do 6,7násobku standardní hodnoty. 51

Tato měření mohou testovat rozšíření Higgsova sektoru a modely, které mění tvar Higgsova potenciálu. Do budoucna mohou přispět i k otázkám stability elektroslabého vakua. Současné výsledky ale neurčují, zda je naše vakuum absolutně stabilní, metastabilní, nebo stabilizované neznámou fyzikou. To je motivace pro tato měření, nikoli již prokázaný závěr. 57

Proč zatím nejde o objev

V částicové fyzice se pro oznámení objevu obvykle požaduje signifikance kolem 5σ, spolu s potvrzením v dalších analýzách a konzistentními výsledky nezávislých experimentů. Prakticky jde o snahu zajistit, že výsledek nelze rozumně vysvětlit statistickou fluktuací nebo nedostatečně popsaným pozadím.

Výsledek LHCb této hranice nedosahuje a navíc významně závisí na nejistotách spojených se silnou interakcí. U dvojic Higgových bosonů je tvrzení o odchylce ještě slabší: nejistota ATLAS stále zahrnuje předpověď Standardního modelu a CMS uvádí horní limit, nikoli statisticky významný přebytek. 11733

Co může obraz rozhodnout

Pro LHCb bude nejdůležitější další množství dat. Vzorky z třetího období provozu mohou ověřit, zda stejný průběh v závislosti na invariantní hmotnosti mionového páru přetrvává, zpřesnit úhlová měření a umožnit srovnání s příbuznými rozpady. Pokud bude vzorec s rostoucí datovou sadou stabilní a soudržný, posílí to interpretaci v podobě nové fyziky. Pokud bude sledovat rezonance nebo jiné hadronové účinky, posílí se naopak vysvětlení uvnitř Standardního modelu.

ATLAS a CMS se budou snažit proměnit hledání produkce Higgových párů v přesné měření. Větší datové soubory, další rozpadové kanály a kombinace výsledků obou experimentů by měly zúžit povolený rozsah Higgovy vlastní vazby. Přesvědčivý důkaz fyziky za hranicí Standardního modelu by vyžadoval konzistentní odchylku ve více kanálech a u nezávislých experimentů, nikoli pouze jednu zvýšenou centrální hodnotu.

Závěr

Nejnovější analýza LHCb udržuje dlouhodobou záhadu v rozpadech mezonů B při životě. Při některých teoretických přístupech se odchylka blíží 4σ, ale nejistoty spojené se silnou interakcí znamenají, že zatím nejde o objev nové fyziky.

ATLAS a CMS zkoumají jinou hranici: zda se Higgovy bosony produkují v párech podle očekávání a jak silně Higgsovo pole interaguje samo se sebou. Měření ATLAS 2,6 ± 1,4 a čtyřnásobný horní limit CMS zpřesňují naše znalosti, ale oba výsledky zůstávají slučitelné se Standardním modelem. Prozatím jde tedy o stále přesnější testy zavedené teorie, nikoli o důkaz, že se rozpadá.