Része-e a Higgs-bozon az anyag-antianyag rejtélynek?

A kísérletből kiderülhet, a Higgs-bozonnak lehet-e szerepe az univerzumunk anyag-antianyag aszimmetriájának magyarázatában.

Számos kísérletnek, például a BaBar-nak (SLAC National Accelerator Laboratory, Berkeley University) célja az anyag és az antianyag közötti nagyfokú aszimmetria (részleges) magyarázata. A SLAC elméleti szakemberei most azt a kérdést vizsgálták, hogy a Higgs-bozonnak lehet-e szerepe a rejtély megoldásában. Matt Dolan (SLAC Particle Theory Group) és munkatársai azt javasolják, hogy a CERN Nagy Hadronütköztetőjében (Large Hadron Collider, LHC) – amellyel a részecskét is felfedezték – a 2015-ös újraindítást követően a Higgs-bozon olyan speciális bomlásának nyomait keressék majd, amely alapján szerintük el lehet dönteni, hogy az „isteni” részecskének van-e beleszólása az anyag-antianyag aszimmetriába.

A részecskefizikusokat és a kozmológusokat legjobban izgató, ráadásul létezésünk alapjait meghatározó kérdések egyike, hogy a belátható világegyetemben miért van sokkal több anyag, mint antianyag. Az ősrobbanást követően, amikor az éppen megszületett univerzum annyira lehűlt, hogy megindulhatott az anyag legkisebb építőköveinek a kialakulása, a részecske-antirészecske párok többsége szétsugárzódott. Valami azonban felborította az egyensúlyt a galaxisokat, csillagokat, bolygókat és a bennünket alkotó anyag javára – különben nem is létezhetnénk. Mivel a 2012-ben felfedezett Higgs-bozon közvetlenül kötődik az anyaghoz és a tömeghez, plauzibilis kérdés, hogy vajon lehet-e szerepe az anyag-antianyag aszimmetria kialakulásában.

A mérési javaslat az úgynevezett CP-sértésen alapul. A természetben az egyik legegyszerűbb diszkrét szimmetria a paritás (P), ami egy objektumot a tükörképébe visz át és elforgatja a tükör síkjára merőleges tengely körül 180 fokkal, azaz megváltoztatja a három térkoordináta előjelét. Csakúgy mint egy közönséges tükör, P is felcseréli a jobb és bal oldalt. Egy másik diszkrét szimmetria a töltéstükrözés (C). Ez mínusz egyszeresére változtatja a részecskék töltését (és minden egyéb kvantumszámát), és ezáltal felcseréli a részecskéket az antirészecskéikkel. Szemben például a Lorentz-invarianciával, amit minden kölcsönhatásban igaznak hiszünk, a gyenge kölcsönhatás sérti mind a P-, mind a C-szimmetriát, míg az elektromágneses és az erős kölcsönhatás P- és C-szimmetrikus. Ennek a felismerése volt a kulcs a gyenge kölcsönhatás modern elméletének kialakulásához. Az együttes CP-szimmetria is sérül a gyenge kölcsönhatásban, és ennek a jobb megértése elvezethet az elemi részecskéknek és kölcsönhatásaiknak a standard modellnél alapvetőbb megértéséhez.

Dolan szerint a CP-sértés LHC-beli keresése trükkös dolog. A kutatóknak először is azt kell megerősíteniük, hogy a Higgs-bozon illeszkedik a standard modellbe. A CP-sértés szempontjából a standard modellbe illeszkedő Higgs-bozonok kétfélék lehetnek, az egyik fajta a CP-páros, azaz a töltésparitás-invarianciát nem sértő, a másik a CP-páratlan. A legmeggyőzőbb jelzés arra, hogy a Higgs-bozon érintett a CP-sértésben, ha mindkét fajtának a keveréke. Az elméleti szakemberek a Higgs-bozon két τ-részecskére – az elektron nagyobb tömegű rokona – történő bomlásának detektálását javasolják, amelynek során a kiindulási proton-proton ütközés maradék energiája két jet formájában távozik kifelé. A közöttük mérhető szög mutatja meg, hogy létezik-e bármiféle CP-páros/CP-páratlan keverék. Philip Harris (CERN) szerint, aki a CP-sértési kísérletet tervezi az LHC-ben, a Higgs-bozon → τ+ + τ- bomlás a legjobb módja ennek, és nagyon reméli, hogy néhány hónap múlva már releváns kijelentéseket tehetnek a Higgs-bozon és a CP-sértés kapcsolatáról.

Az eredményeket részletező szakcikk a Physical Review D című folyóiratban jelent meg.