ATLAS Experiment udforsker Higgs boson -opdagelseskanalerne

På European Physical Society Conference on High-Energy Physics (EPS-HEP) i Gent, Belgien, ATLAS Collaboration på CERN frigav nye målinger af Higgs boson -egenskaber ved hjælp af det fulde LHC Run 2 -datasæt. Kritisk, de nye resultater undersøger to af Higgs -bosonforfaldene, der førte til partikelens opdagelse i 2012:H → ZZ*→ 4ℓ, hvor Higgs -bosonen forfalder til to Z -bosoner, forfalder igen til fire leptoner (elektroner eller muoner); og H → γγ, hvor Higgs -bosonen henfalder direkte i to fotoner.

Selvom det er sjældent, disse kanaler er let identificerede og godt målt i ATLAS -detektoren, giver fysikere mulighed for at studere egenskaberne ved Higgs -bosonen med stor præcision. I særdeleshed, de giver nye målinger af Higgs bosonens tværgående momentum, som kan bruges til at undersøge forskellige Higgs -produktionsmekanismer og mulige afvigelser fra standardmodelinteraktionerne.

Går efter guld:ny indsigt i fire-leptonkanalen

H → ZZ*→ 4ℓ-henfaldet er den såkaldte "gyldne kanal" i Higgs-bosonen, da den har den klareste og reneste signatur af alle de mulige Higgs boson -henfaldsmåder. Takket være den øgede lysstyrke i Run 2, ATLAS registrerede omkring 300 "golden channel" kandidatbegivenheder mellem 2015 og 2018, heraf forventes en tredjedel at skyldes ZZ -baggrundsprocesser. Det invariante massespektrum for udvalgte fire-leptonhændelser for de fulde Run 2-data kan ses i figur 1.

Ud over det øgede antal indsamlede arrangementer, ATLAS -fysikere foretog forbedringer af deres analyse. Mens ZZ -baggrundshastigheden tidligere blev estimeret med simuleringer, forbundet med en teoretisk usikkerhed, det nye ATLAS -resultat bruger data til direkte at vurdere baggrundsbidraget. Mens den samlede usikkerhed på baggrunden er omtrent den samme, dette har betydeligt reduceret målingens teoretiske usikkerhed og modelafhængighed.

ATLAS -teamet introducerede også Deep Learning Neural Networks for at skelne mellem hvilke af Higgs boson -begivenhederne, der stammede fra hvilke produktionsmekanismer. Denne teknik gør det muligt for ATLAS -teamet at forbedre deres identifikation af, om et Higgs -boson var blevet produceret ved den fælles fusion af et par gluoner (ggF - tegner sig for 87% af Higgs -bosonforfald), eller fra den sjældnere fusion af to W- eller Z -vektorbosoner (VBF — 7% af henfald) eller strålingen fra en W- eller Z -boson (VH — 4%). Når det med succes er identificeret, ATLAS -fysikerne kunne derefter måle produktionstværsnittet for hver.

VBF- og VH -produktionsmetoderne kan ret godt skelnes ved adskillelse og masse af "stråler" af partikler, de producerer. For VBF, vektorbosonerne udstråles af to kvarker, som danner energiske stråler i detektoren langs stråleretningen og i modsatte halvkugler. I mellemtiden, VH -produktionsmetoden producerer også to jetfly, med enten massen af ​​W (80 GeV) eller Z (91 GeV) boson.

Imidlertid, gluonerne i ggF -produktionen kan også udstråle ekstra stråler, efterligner således VBF- og VH -jetpar. Det er her Deep Learning Neural Networks kommer ind. De har vist sig at være fleksible nok til samtidig at adskille ggF, VBF og VH med mindre overlapning end tidligere maskinindlæringsteknikker. Higgs-produktionstværsnittene målt i fire-leptonkanalen kan ses i figur 2, hvor der er en forbedring på 20% på VBF-tværsnitsmåling takket være Neural Network-teknikken.

To lys for at se Higgs:studere to-foton-kanalen

ATLAS -fysikere indarbejdede også nye og forbedrede analyseteknikker i deres undersøgelse af Higgs -bosonforfaldet til et par fotoner (H → γγ). I særdeleshed, den forbedrede fotonidentifikation og jet energikalibrering førte til reducerede tilhørende systematiske usikkerheder. De kriterier for elektromagnetisk bruseform, der bruges til at identificere fotoner og undertrykke uønskede fotonkandidater fra hadronforfald, er nu blevet optimeret i delområder af fotonets tværgående momentum, da bruserne genereret i detektoren afhænger af fotononenergien. Dette førte til forbedringer i følsomheden på et par procent.

Fysikere målte flere differentielle tværsnit for observerbare ting, der er følsomme over for Higgs bosonproduktion og forfald, herunder kinematiske fordelinger af de jetfly, der er produceret i forbindelse med Higgs -bosonen. Interaktioner ud over standardmodellen mellem Higgs-bosonen og målerbosonerne forventes at ændre disse variabler, giver en fremragende test for ny fysik. De inkluderende og differentielle tværsnitsmålinger, bestemt ud fra udbyttet af hændelser i signaltoppen i diphoton invariant massefordeling (se figur 3) viste sig at være i god overensstemmelse med standardmodelforudsigelser. ATLAS-fysikere brugte disse målinger til at begrænse styrken af ​​de hypotetiske interaktioner uden for standardmodellerne mellem Higgs-bosonen og målerbosonerne.

I øvrigt, ATLAS -fysikere var i stand til at undersøge samspillet mellem Higgs -bosonen og charmekvarken. Higgs -bosonen er endnu ikke set forfalden til at charme kvarker, som i standardmodellen forudsiges at have tyve gange lavere hastighed end henfald til bundkvarker, observeret for første gang af ATLAS og CMS i 2018. Dog er hvis styrken (eller "koblingen") af Higgs -interaktionen med charmekvarken var meget større end forventet på grund af en ny fysikproces, dette ville påvirke den målte momentumfordeling af Higgs -bosonen. Fysikere ledte efter signaturen af ​​denne effekt:et overskud af dataene i forhold til den teoretiske forventning i den lave Higgs boson -momentumregion (se figur 4). Et sådant overskud blev ikke observeret i dataene.

Kombineret indsigt

Det samlede Higgs boson produktionstværsnit blev målt til at være 56,7 ± 6,3 pb med H → γγ henfaldskanalen, og 54,4 ± 5,6 pb med H → ZZ*→ 4ℓ -kanalen. Ved at kombinere de to kanaler, det samlede tværsnit er 55,4 ± 4,3 pb, i overensstemmelse med Standard Model forudsigelse på 55,6 ± 2,5 pb. Differentialtværsnittet for Higgs -bosons tværgående momentum i begge kanaler er også enige, som vist i figur 4, og deres kombination passer med standardmodelforudsigelserne.

Takket være den fremragende ydeevne for LHC og ATLAS -detektoren under kørsel 2, ATLAS -undersøgelser af Higgs -bosonen bevæger sig ud over opdagelse, ind i en ny æra af præcisionsmålinger, der fremmer vores forståelse af denne partikel. Turen er lige begyndt!