De ontdekking van het Higgs-deeltje in de Large Hadron Collider (LHC) van CERN in 2012 betekende een belangrijke mijlpaal in de deeltjesfysica. Sindsdien hebben de ATLAS- en CMS-samenwerkingen ijverig de eigenschappen van dit unieke deeltje onderzocht en gezocht naar de verschillende manieren waarop het wordt geproduceerd en vervalt in andere deeltjes.
Tijdens de Large Hadron Collider Physics (LHCP)-conferentie deze week rapporteren ATLAS en CMS hoe ze hebben samengewerkt om het eerste bewijs te vinden van het zeldzame proces waarbij het Higgs-deeltje vervalt in een Z-deeltje, de elektrisch neutrale drager van de zwakke kracht. en een foton, drager van de elektromagnetische kracht. Dit verval van het Higgs-deeltje zou indirect bewijs kunnen leveren voor het bestaan van deeltjes die verder gaan dan voorspeld door het standaardmodel van de deeltjesfysica.
Het verval van het Higgs-deeltje in een Z-deeltje en een foton is vergelijkbaar met dat van een verval in twee fotonen. Bij deze processen vervalt het Higgs-deeltje niet rechtstreeks in deze deeltjesparen. In plaats daarvan gaat verval door een tussenliggende “lus” van “virtuele” deeltjes die in en uit het bestaan gaan en niet direct kunnen worden gedetecteerd. Deze virtuele deeltjes kunnen nieuwe, nog onbekende deeltjes bevatten die interageren met het Higgs-deeltje.
Het standaardmodel voorspelt dat, als het Higgs-deeltje een massa heeft van ongeveer 125 miljard elektronvolt, ongeveer 0,15% van de Higgs-deeltjes zal vervallen in een Z-deeltje en een foton. Maar sommige theorieën die het standaardmodel uitbreiden, voorspellen een andere vervalsnelheid. Daarom biedt het meten van de vervalsnelheid waardevolle inzichten in zowel de fysica buiten het standaardmodel als de aard van het Higgs-deeltje.
Voorheen voerden ATLAS en CMS, met behulp van gegevens van proton-protonbotsingen bij de LHC, onafhankelijk van elkaar uitgebreid onderzoek uit naar het verval van het Higgs-deeltje in een Z-deeltje en een foton. Beide zoekopdrachten gebruikten vergelijkbare strategieën, waarbij het Z-boson werd gevonden door zijn verval in elektronenparen of muonen – zwaardere versies van elektronen. Dit verval van het Z-boson vindt ongeveer 6,6% van de tijd plaats.
Bij deze zoekopdrachten zouden de botsingsgebeurtenissen die verband houden met dit Higgs-deeltjeverval (het signaal) worden geïdentificeerd als een smalle piek, tegen een vloeiende achtergrond van gebeurtenissen, in de gecombineerde massaverdeling van de vervalproducten. Om de gevoeligheid voor verval te verbeteren, maakten ATLAS en CMS gebruik van de meest gebruikelijke manieren waarop het Higgs-deeltje wordt geproduceerd en werden gebeurtenissen gecategoriseerd op basis van de kenmerken van deze productieprocessen. Ze gebruikten ook geavanceerde machine learning-technieken om verder onderscheid te maken tussen signaal- en achtergrondgebeurtenissen.
In een nieuwe studie hebben ATLAS en CMS nu hun krachten gebundeld om hun zoekresultaten te maximaliseren. Door de datasets te combineren die door beide experimenten zijn verzameld tijdens de tweede run van de LHC, die plaatsvond tussen 2015 en 2018, hebben de samenwerkingen de statistische precisie en reikwijdte van hun zoekopdrachten aanzienlijk vergroot.
Deze gezamenlijke inspanning resulteerde in het eerste bewijs van het verval van het Higgs-deeltje in een Z-deeltje en een foton. Het resultaat heeft een statistische significantie van 3,4 standaarddeviaties, wat lager is dan de conventionele vereiste van 5 standaarddeviaties om een waarneming te claimen. De gemeten signaalsnelheid is 1,9 standaarddeviaties boven de voorspelling van het standaardmodel.
“Elk deeltje heeft een speciale relatie met het Higgs-deeltje, waardoor de zoektocht naar zeldzaam Higgs-verval een hoge prioriteit heeft”, zegt ATLAS-fysicacoördinator Pamela Ferrari. “Door een zorgvuldige combinatie van de individuele resultaten van ATLAS en CMS hebben we een stap voorwaarts gezet in de richting van het ontrafelen van weer een Higgs-bosonpuzzel.”
“Het bestaan van nieuwe deeltjes kan zeer belangrijke implicaties hebben voor de zeldzame Higgs-vervalmodi”, zegt CMS-natuurkundig coördinator Florencia Canelli. “Deze studie is een krachtige test van het standaardmodel. Met de huidige derde run van de LHC en de toekomstige High Luminosity LHC kunnen we de precisie van deze test verbeteren en steeds zeldzamer Higgs-verval detecteren.”
