ATLAS -eksperimentet får sit første glimt af Higgs -bosonen i sit yndlingsforfald

Tidligere har Higgs -bosonen er blevet observeret henfaldende til fotoner, tau-leptoner, og W og Z bosoner. Imidlertid, disse imponerende præstationer repræsenterer kun 30 procent af Higgs boson henfald. Higgs bosonens begunstigede henfald til et par b-kvarker (H → bb) blev forudsagt at ske omkring 58 procent af tiden, derved driver den korte levetid for Higgs boson, og forblev dermed undvigende. At observere dette forfald ville udfylde en af ​​de store manglende dele af vores viden om Higgs -sektoren og bekræfte, at Higgs -mekanismen er ansvarlig for kvarkmasserne; derudover det kan også give antydninger til ny fysik ud over vores nuværende teorier. Alt i alt, det er en vital manglende brik i Higgs boson -puslespillet.

Men efter over 1 million H → bb henfald i ATLAS -eksperimentet alene, hvorfor har forskere ikke set det endnu? Dette virker særligt mærkeligt i betragtning af at der er observeret mindre hyppige Higgs boson -henfald.

Svaret ligger i overflod af b-kvarker, der er skabt i ATLAS-detektoren på grund af stærke interaktioner. Vi opretter par b-kvarker 10 millioner gange oftere end vi skaber et H → bb-henfald, hvilket gør at vælge dem ud på den store baggrund til en ekstremt udfordrende opgave. Vi leder derfor efter H → bb henfald, når de produceres i forbindelse med en anden partikel - i dette tilfælde, en vektor boson (W eller Z). De mere karakteristiske henfald af vektorbosoner giver en måde at reducere den store baggrund. Dette fører til en meget lavere produktionshastighed - vi forventer kun at have skabt 30, 000 H → bb henfalder på denne måde, men det giver mulighed for at få øje på dette undvigende forfald.

Alligevel, selv i denne tilstand, baggrundsprocesserne, der efterligner H → bb -signalet, er stadig store, kompleks og vanskelig at modellere. ATLAS -samarbejdspartnerne gjorde en stor indsats for at isolere det lille H → bb -signal fra den store baggrund. Efter at have valgt interessekollisionerne, de stod tilbage med det forventede antal på omkring 300 H → bb -begivenheder sammenlignet med 70, 000 baggrundsarrangementer. Ultimativt, de håbede på at se et overskud af kollisionshændelser over vores baggrundsforudsigelse (et bump), der vises ved massen af ​​Higgs -bosonet.

Efter at have analyseret alle de data, ATLAS indsamlede i 2015 og 2016, forskerne har endelig opnået præcisionsniveauet for at bekræfte bevis for H → bb med en observeret betydning på 3,6 σ, når de kombinerer Run 1 og Run 2 datasæt. Som vist på figuren, der observeres et bump, der er meget i overensstemmelse med forventningerne, bekræfter mange centrale aspekter af Higgs bosons adfærd. Ved siden af ​​bumpen, der forfalder et Z boson (masse på 91 GeV) til et b-kvark-par, produceret på en lignende måde som Higgs boson, men mere rigeligt. Det fungerer som en kraftfuld validering af analysen.

Spotting H → bb er kun begyndelsen. Undersøgelser af dette nye forfald vil åbne et helt nyt vindue mod Higgs, og kan også give antydninger til ny fysik ud over vores nuværende teorier. Følg med på denne kanal.