ATLAS Eksperiment søger efter sjældne Higgs boson henfalder i muonpar

Kunne Higgs-bosonen stadig overraske os? Siden opdagelsen i 2012,  ATLAS- og CMS-samarbejdet på CERN har aktivt studeret egenskaberne ved denne seneste og mest mystiske tilføjelse til standardmodellen for partikelfysik.

I standardmodellen, Brout-Englert-Higgs-mekanismen forudsiger, at Higgs-bosonen vil interagere med stofpartikler (kvarker og leptoner, kendt som fermioner) med en styrke, der er proportional med partiklens masse. Det forudsiger også, at Higgs -bosonen vil interagere med kraftbærerpartiklerne (W og Z -bosoner) med en styrke, der er proportional med kvadratet af partikelens masse. Derfor, ved at måle Higgs boson-henfald og produktionshastigheder, som afhænger af interaktionsstyrken til disse andre partikler, ATLAS-fysikere kan udføre en grundlæggende test af standardmodellen.

Sidste uge, ved European Physical Society Conference on High-Energy Physics (EPS-HEP) i Gent, Belgien, ATLAS -samarbejdet frigivet et nyt foreløbigt resultat, der søger efter Higgs boson henfalder til et muon- og antimuonpar (H → μμ). Den nye, mere følsomt resultat bruger hele Run 2-datasættet, analyserer næsten dobbelt så mange Higgs boson -begivenheder som det tidligere ATLAS -resultat (udgivet i 2018, til ICHEP-konferencen).

Både ATLAS og CMS Collaborations har allerede observeret, at Higgs -bosonen forfalder til tau lepton - muonens tungere fætter, tilhører den tredje "generation" af fermioner. Da muoner er meget lettere end tau leptoner, Higgs-bosonnedbrydningen til et myon-par forventes at forekomme omkring 300 gange sjældnere end for et tau-lepton-par. På trods af denne knaphed, H → μμ henfaldet giver den bedste mulighed for at måle Higgs-interaktionen med anden generations fermioner ved LHC, giver ny indsigt i massens oprindelse for forskellige fermiongenerationer.

Eksperimentelt, ATLAS er veludstyret til at identificere og rekonstruere muonpar. Ved at kombinere målinger fra ATLAS indre detektor og myonspektrometer, fysikere kan opnå en god muon momentum opløsning. Imidlertid, de skal også redegøre for muoner, der er skabt af en fælles baggrund:den rigelige "Drell-Yan-proces", hvor et myonpar produceres via udveksling af en virtuel Z-boson eller en foton. For at hjælpe med at differentiere H → μμ -signalet fra denne baggrund, ATLAS -teams bruger multivariate diskriminanter (boostede beslutningstræer), som udnytter de forskellige produktions- og henfaldsejendomme ved hver begivenhed. For eksempel, H → μμ signalhændelser er kendetegnet ved et mere centralt muonpar -system og en større momentum i planet på tværs af de kolliderende protoner.

For yderligere at øge følsomheden af ​​søgningen, fysikere adskiller de potentielle H → μμ begivenheder i flere kategorier, hver med forskellige forventede signal-til-baggrund-forhold. De undersøger hver kategori separat, studerer fordelingen af ​​massen af ​​myonparret af de udvalgte hændelser. Signal- og baggrundsmængderne kunne derefter bestemmes samtidigt ved en tilpasning til massespektret, udnytte de forskellige former for signalet og baggrundsprocesserne. Figur 2 viser den resulterende massefordeling af muonpar kombineret over alle kategorierne.

I det nye ATLAS -resultat, der blev ikke observeret et signifikant overskud af hændelser over den målte baggrund i signalområdet omkring Higgs -bosonmassen på 125 GeV. Den observerede signalsignifikans er 0,8 standardafvigelser for 1,5 standardafvigelser forventet fra standardmodellen. En øvre grænse for Higgs boson -produktionstværsnittet gange forgrening af fraktion til muoner blev sat til 1,7 gange standardmodel -forudsigelsen ved 95% konfidensniveau. Dette nye resultat repræsenterer en forbedring på omkring 50 % i forhold til tidligere ATLAS-resultater.