Nyt præcisionsniveau opnået i kombinerede målinger af Higgs bosonkoblinger

Higgs boson, opdaget ved Large Hadron Collider (LHC) i 2012, har en enestående rolle i standardmodellen for partikelfysik. Mest bemærkelsesværdig er Higgs bosonens tilhørsforhold til masse, som kan sammenlignes med den elektriske ladning for et elektrisk felt:jo større massen af ​​en fundamental partikel, jo større styrken af ​​dets interaktion, eller "kobling, " med Higgs-bosonen. Afvigelser fra disse forudsigelser kan være et kendetegn for ny fysik i denne endnu lidt udforskede del af standardmodellen.

Higgs bosonkoblinger viser sig i produktionshastigheden af ​​Higgs bosonen ved LHC, og dets henfald forgrener forhold til forskellige sluttilstande. Disse hastigheder er blevet præcist målt af ATLAS-eksperimentet på CERN, bruger op til 80 fb ^–1 af data indsamlet ved en proton-proton kollisionsenergi på 13 TeV fra 2015 til 2017. Målinger blev udført i alle de vigtigste henfaldskanaler i Higgs bosonen:til par af fotoner, W og Z bosoner, bundkvarker, taus, og myoner. Den samlede produktionshastighed for Higgs-bosonet blev målt til at være i overensstemmelse med standardmodellens forudsigelser, med en usikkerhed på 8 %. Usikkerheden er reduceret fra 11 % i de tidligere kombinerede målinger frigivet sidste år.

Målingerne er opdelt i produktionstilstande (forudsat standardmodellens henfaldsforgreningsforhold), som vist i figur 1. Alle fire hovedproduktionstilstande er nu blevet observeret ved ATLAS med en betydning på mere end 5 standardafvigelser:den længe etablerede gluon-gluon-fusionstilstand, den nyligt observerede tilknyttede produktion med top-quark-par, og den sidste tilbageværende svage bosonfusionstilstand, præsenteret i dag af ATLAS. Sammen med observation af produktion i forbindelse med et svagt boson og af H→bb-henfaldet i en separat måling , disse resultater tegner et komplet billede af Higgs bosonproduktion og forfald.

Fysikere kan bruge disse nye resultater til at studere Higgs-bosonens koblinger til andre fundamentale partikler. Disse koblinger er i fremragende overensstemmelse med standardmodellens forudsigelse over et område, der dækker 3 størrelsesordener i masse, fra topkvarken (den tungeste partikel i Standardmodellen og dermed med den stærkeste vekselvirkning med Higgs-bosonen) til de meget lettere myoner (hvortil der hidtil kun er opnået en øvre grænse for koblingen med Higgs-bosonen).

Målingerne undersøger også koblingen af ​​Higgs-bosonen til gluoner i gluon-gluon-fusionsproduktionsprocessen, som fortsætter gennem et sløjfediagram og er dermed særligt følsom over for ny fysik. I standardmodellen, løkken medieres hovedsageligt af topkvarker. Derfor, mulige nye fysikbidrag kan testes ved at sammenligne gluonkoblingen med den direkte måling af topkvarkkoblingen i Higgs bosonproduktion i forbindelse med topkvarker, som vist i figur 2.

Den fremragende overensstemmelse med standardmodellen, som ses hele vejen igennem, kan bruges til at sætte strenge grænser for nye fysikmodeller. Disse er baseret på mulige ændringer af Higgs-koblinger og supplerer direkte søgninger udført på LHC.