Saturday, June 30, 2012

Higgs di LHC






Tanggal 4 Juli 2012 nanti akan menjadi hari di mana keberadaan Higgs gossipnya akan diumumkan. Biar nggak ketinggalan jaman, Engkong akan membahas bagaimana cara LHC menemukan Higgs. Semoga mudah dimengerti. big grin

Kita mulai dari ceritanya dari bagaimana cara membuat Higgs di LHC. Di LHC, proton berenergi 4 TeV ditumbukan satu sama lain sehingga partikel baru tercipta. Dalam kasus ini partikel baru yang diinginkan adalah Higgs. Proton bukanlah partikel fundamental, melainkan "kantong" yang berisi partikel-partikel yang lebih fundamental. Di energi 4 TeV, isi proton adalah sebagian besar gluon, quark up dan quark down. Namun terdapat juga quark anti up, quark anti down, quark strange dan quark anti strange di dalam proton. Kalau kita sudah tahu bahan dasar pembuatan Higgs (gluon dan quarks), sekarang kita lihat cara membuatnya. Diagram Feynman pembuatan Higgs bisa dilihat di gambar di bawah. Di gambar itu g artinya gluon, Higgs dilambangkan dengan H, W dan Z boson dilambangkan dengan W dan Z, top dilambangkan dengan t, dan q artinya up, down atau strange quark. Setelah dihitung-hitung, ternyata proses yang paling berpengaruh di LHC (dengan kata lain cross section paling besar) adalah gg fusion. Proses inilah yang kemungkan besar akan menjadi yang pertama terlihat di LHC. Namun bukan berarti proses lain tidak penting atau tidak bisa dilihat. Untuk mengetahui sifat dari Higgs, proses yang lain juga perlu untuk dipelajari.
http://www-cdf.fnal.gov/physics/new/hdg/Plain_English_files/higgs_feyn_production.jpg

Nah, kita sudah tahu bagaimana cara memproduksi Higgs di LHC: tumbukan dua gluon di dalam proton sehingga menjadi Higgs. Pertanyaan selanjutnya adalah bagaimana cara mendeteksi Higgs ini? Di LHC Higgs meluruh dengan sangat cepat, sehingga yang dapat dideteksi adalah hasil dari peluruhan Higgs. Yang dilakukan oleh para fisikawan di LHC adalah "menghitung" jumlah hasil peluruhan Higgs dan dibandingkan dengan apa yang diperkirakan jika tidak ada Higgs (background). Jika hasil "hitungan" ini lebih besar dari apa yang diperkirakan, fisikawan yakin bahwa Higgs telah ditemukan.

Hasil peluruhan Higgs bisa dilihat di gambar di bawah ini. Untuk Higgs dengan massa 125 GeV, yaitu massa yang akan diumumkan 4 Juli nanti, Higgs paling banyak meluruh ke quark bottom dan quark anti bottom (sekitar 60% dari total peluruhan). Kita akan sebut proses ini H->bb. Quark bottom dan quark anti bottom kemudian juga meluruh dengan cepat menjadi dengan hasil akhir gluon dan quark yang lebih ringan (up, down, strange). Jadi hasil akhirnya adalah Higgs meluruh menjadi beberapa quark dan gluon. Masalahnya adalah di LHC, proses dengan interaksi kuat sangat mendominasi. Dan hasil akhir dari interaksi kuat adalah quark dan gluon! Artinya sinyal dari dari H->bb akan "terkubur" di dalam background. Analoginya kira-kira jika kita mengharapkan 10 sinyal dari H->bb, akan ada 100 juta proses lain di LHC yang bentuknya sama persis dengan sinyal Higgs tadi. Wah kalau itu sih bakal susah ketemunya. (Catatan: ada trik yang membedakan quark bottom dengan quark lainnya. Teknik ini dinamakan b-tagging. Sayangnya teknik ini belum cukup efisien agar H->bb menjadi sinyal dominan di LHC)
http://www-cdf.fnal.gov/physics/new/hdg/Plain_English_files/higgs_branch.jpg
Selain ke quark bottom dan quark anti bottom, Higgs meluruh ke W+ dan W- (H->WW) sekitar satu dari lima kali (20%). Di LHC, kita tidak dapat melihat W-boson secara langsung karena W-boson akan langsung meluruh 67% ke quark ringan dan gluon (W->quarks), 11% ke tau dan neutrino (W->τν), 11% ke muon dan neutrino (W->μν), serta 11% ke electron dan neutrino (W->eν). Untuk W->quarks, hasil akhirnya sama persis dengan kasus H->bb: quarks ringan dan gluon sehingga sinyal akan terkubur di dalam background. Namun untuk W meluruh ke muon+neutrino atau electron+neutrino, background untuk sinyal ini tidak begitu besar: interaksi kuat tidak dapat memproduksi elektron, muon atau neutrino. Sehingga salah satu sinyal penting untuk mencari Higgs adalah sepasang elektron atau muon dan energi hilang/missing energy. Energi hilang datangnya dari neutrino yang tidak dapat dideteksi oleh detektor di LHC. Tahun lalu, setelah mencari Higgs melalu sinyal ini, eksperimen CMS di LHC dapat menyatakan bahwa massa Higgs tidak mungkin berada di antara 129 - 270 GeV.

Peluruhan penting yang lain adalah Higgs meluruh ke sepasang Z-boson / H->ZZ (3% dari total peluruhan Higgs) dan dilanjutkan oleh Z meluruh ke sepasang muon atau elektron (6% dari total peluruhan Z-boson). Sinyal ini memang sangat kecil. Tahun lalu CMS hanya berhasil mengumpulkan 72 sinyal dari milyaran tumbukan proton! Namun sinyal ini sangat bersih, karena background yang diharapkan tidak kalah kecilnya: 67.14±3.69. Karena bersihnya, sinyal ini dikenal sebagai golden channel. Melalui sinyal ini, tahun lalu CMS berhasil menyatakan bahwa massa Higgs bukan berada di antara 134–158 GeV, 180–305 GeV, dan 340–465 GeV.

Terakhir Engkong akan mebahas satu hasil peluruhan Higgs yang membuat berita heboh di akhir tahun kemarin: Higgs meluruh menjadi 2 photon (H->ɤɤ). Higgs meluruh menjadi dua photon hanya 0.2% dari total peluruhan. Namun dengan background yang tidak begitu besar, sinyal ini juga dapat digunakan untuk menemukan Higgs. Desember 2011 yang lalu dua eksperimen di LHC, ATLAS dan CMS, melihat bahwa jumlah sinyal yang mereka dapatkan sedikit lebih banyak dari background yang diharapkan. Pengamatan ini memberi sedikit petunjuk bahwa kemungkinan Higgs berada pada massa 125 GeV. Sayangnya pengamatan ini masih belum 100% meyakinkan. 

Seminar di CERN tanggal 4 Juli nanti akan memberikan kejelasan, apakah sinyal dari H->ɤɤ yang diamati tahun lalu benar-benar nyata atau hanya fluktuasi statistik alias kebetulan belaka. Seminar tersebut bisa disaksikan di tautan ini. Hasil yang pasti akan ditampilkan adalah H->ɤɤ. Kemungkinan besar H->ZZ dan H->WW akan ditampilkan pula. Kebanyakan fisikawan teori yakin bahwa Higgs dengan massa 125 GeV akan dikonfirmasi di seminar ini. Apakah keyakinan mereka akan terbukti? Kita tunggu seminarnya big grin

6 comments:

  1. peluruhan Higgs -> 2 gamma itu mirip dengan peluruhan neutral pion -> 2 gamma...kebetulan sekali ya kak? :D

    ReplyDelete
    Replies
    1. Pertanyaan menarik yang membuat saya harus berpikir juga menjawabanya :P

      Kalau Higgs yang ditemukan adalah skalar fundamental, H -> 2 gamma dengan pion -> 2 gamma hanyalah kebetulan belaka. Tapi jika partikel Higgs ternyata komposit, misalnya technipoin, maka skema peluruhan Higgs komposit dengan peluruhan pion bisa jadi sama persis yakni melalui anomali.

      Apakah Higgs yang ditemukan nanti fundamental atau komposit? Sepertinya butuh waktu lebih lama lagi buat menjawabnya :D

      Delete
  2. izin ngikutin blognya y kk reinard

    ReplyDelete
    Replies
    1. Silahkan, tapi updatenya sporadis bergantung semangat dan kesibukan :P

      Delete
  3. Btw, higgs di SM kan fundamental, isn't it? trus peluruhan higgs jd 2 photon dan pion jd 2 photon juga tdk cause masalah, krna mrupakan salah satu dr decay mode mreka.

    ReplyDelete
    Replies
    1. Di SM memang Higgs fundamental. Pertanyaannya Higgs yang akan ditemukan itu Higgs SM atau bukan?
      Higgs fundamental atau komposit biasanya akan meluruh menjadi 2 foton dengan branching fraction yang kecil. Bedanya adalah peluruhan untuk Higgs SM datangnya dari loop top quark dan W. Jadi parameter yang berpengaruh adalah massa dari top quark dan W. Sedangkan jika Higgs komposit dan peluruhannya dari anomali, maka parameter yang berpengaruh adalah technipion decay constant (f_phi).

      Delete