Tìm phân rã hạt Higgs nặng thành hai tau lepton với máy dò ATLAS

Lý thuyết SUSY giải thích một số trùng hợp toán học của SM và là một thành phần cơ bản của lý thuyết dây, một trong những cấu tạo hứa hẹn về sự sáp nhập giữa SM với thuyết tương đối. Nó cũng dự đoán sự tồn tại của nhiều hạt mới, vốn không hạt nào trong số đó từng được quan sát, ví dụ nó đề xuất ít nhất 5 dạng hạt Higgs boson, dù hiện mới chỉ có một hạt được quan sát.

Trong khi SUSY hấp dẫn về mặt lý thuyết, vẫn chưa có bằng chứng về khả năng áp dụng nó trong thế giới thật, và nếu nó đạt được, các hạt mà nó dự đoán có lẽ quá nặng để có thể quan sát được trong những thực nghiệm trước đây. Trong vài năm gần đây, các nhà vật lý trên toàn thế giới đã cố gắng quan sát chúng một cách trực tiếp để chứng minh giá trị của thuyết SUSY và hiểu các đặc tính của những hạt mới.

Nhóm hợp tác ATLAS là một nhóm nghiên cứu lớn từ nhiều viện nghiên cứu trên toàn thế giới, những người đang cùng nhau phân tích để hiểu tốt hơn về các kết quả đo đạc do máy dò ATLAS tại CERN ghi được. Trong một công trình mới xuất bản trên Physical Review Letters, các nhà vật lý đã trình bày các kết quả của một cuộc tìm kiếm hạt Higgs bosons mới trên cơ sở phân tích dữ liệu thu thập được bằng máy dò ATLAS.

“Chúng tôi đã thực hiện nhiều cuộc tìm kiếm các hạt Higgs boson nhưng cuộc tìm kiếm này rất chính xác hơn với ‘không gian tham số’ của SUSY Higgses”, William John Murray, một trong những nhà nghiên cứu thực hiện nghiên cứu, nói với Phys.org. “Bài báo mới không phải là bài báo đầu tiên về nội dung này nhưng điều đáng nói là dữ liệu mà nó sử dụng nhiều gấp bốn lần so với những nghiên cứu trước cũng như phương pháp thực hiện đã được cải thiện”.

Máy dò ATLAS được thiết kế để đo đạc các hạt mới xuất hiện từ những va chạm trong máy gia tốc hạt lớn LHC, vốn là máy gia tốc hạt có chùm tia mạnh nhất thế giới hiện nay. Nó có thể xác định được các hạt electron và hai dạng hạt cùng một số tương đồng về các electron mang tên muons và taus.

Taus rất khó để đo đạc vì chúng phân rã quá nhanh. Khi phân rã, chúng tạo ra một hạt neutrino ‘vô hình’ và một electron là muon, hoặc phổ biến nhất là các pion (ví dụ các hạt quark tạo thành các hadron). Nhóm hợp tác ATLAS tìm kiếm các cặp taus phân rã, tập trung vào các trường hợp trong đó cả taus tạo ra các pions hoặc nơi một tau tạo ra một electron khác hoặc muon và các pion.

“LHC tạo ra một tỷ các va chạm trong vòng một giây, về bản chất tất cả thứ đón đều tạo ra các pion, vì vậy vấn đề mà chúng tôi đã thiết lập để giải quyết là phân biệt giữa các pion được hình thành từ một phân rã hạt tau và những thứ không phải là nó (liên quan đến ‘giả hạt’)”, Murray nói. “Để làm được điều này, chúng tôi đã đo đạc cả cách chúng tôi thường làm chuẩn chỉnh và cách chúng chúng tôi làm sai khác đi. Kiểm soát các ‘giả pions’ là một trong những vấn đề lớn nhất của phép đo lường lần này”.

Để nghiên cứu các cặp tau, các nhà nghiên cứu kết hợp những khoảnh khắc đo lường của mình và ước tính một hạt nhất định phải nặng bao nhiêu để tạo được ra một cặp hạt cụ thể trong khi phân rã. Sau đó, họ xây dựng một biểu đồ hiển thị khối lượng mà họ ước tính và tìm kiếm một ‘điểm’ trên đồ thị, vì điều này có thể gợi ý cho họ thấy sự hiện diện của một hạt Higgs boson mà họ chưa từng quan sát trước đây.

“Có khả năng thực sự về việc khám phá ra hạt Higgs boson thứ hai và gợi ý rất thuyết phục về siêu đối xứng”, Murray nói. “Bài báo của chúng tôi đặt những ràng buộc cho các thuyết siêu đối xứng. Popper từng đồng ý rằng các lý thuyết đều phải được bác bỏ để loại bỏ phần phi khoa học và trở thành khoa học. Bằng việc loại bỏ các phần không gian tham số của siêu đối xứng, chúng ta có thể giảm bớt những mô hình lỗi mà các nhà lý thuyết đã đề xuất, từ đó mang lĩnh vực nghiên cứu của chúng ta gần hơn với sự thật”.

Dù nghiên cứu này được Nhóm hợp tác ATLAS thực hiện không dẫn đến việc quan sát các hạt Higgs bosons nặng mới, nó cũng làm thu hẹp lại các tham số mà các hạt có thể dò được và quan sát được. Trong tương lai, nó có thể dẫn đến việc hình thành tìm kiếm mới với mục tiêu quan sát trực tiếp các hạt mới và xác nhận sự tồn tại của chúng.

“Chúng tôi hiện đang khám phá sự thay thế các lý thuyết ngoài mô hình chuẩn dự đoán các ký hiệu khác”, Murray nói. “Bộ dữ liệu rất lớn của LHC có thể cho phép chúng tôi có được cái nhìn cận cảnh hơn nhiều ký hiệu khác – bất kỳ thứ nào trong đó cũng có thể nêu ra được một cái gì đó mới mẻ. Tuy phần nhiều chúng đã được giới thiệu tại hội thảo quốc tế về vật lý hạt ICHEP năm nay nhưng chưa có cái nào thành công như công bố này”.