ATLAS Experiment måler Higgs-bosonens skønhed

To år siden, Higgs-bosonen blev observeret henfaldende til et par skønhedskvarker (H→bb), flytte sin undersøgelse fra "opdagelsesæraen" til "målingsæraen." Ved at måle egenskaberne af Higgs bosonen og sammenligne dem med teoretiske forudsigelser, fysikere kan bedre forstå denne unikke partikel, og i processen, søge efter afvigelser fra forudsigelser, der ville pege på nye fysikprocesser ud over vores nuværende forståelse af partikelfysik.

En sådan afvigelse kunne være den hastighed, hvormed Higgs-bosoner produceres under særlige forhold. Jo større tværgående momentum af Higgs-bosonen - dvs. momentum af Higgs-bosonen vinkelret på retningen af ​​Large Hadron Collider (LHC) protonstråler - jo større tror vi er følsomheden over for nye fysikprocesser fra tunge, endnu usynlige partikler.

H→bb er den ideelle søgekanal til at søge efter sådanne afvigelser i produktionshastigheden. Som det mest sandsynlige henfald af Higgs-bosonen (der står for ~58% af alle Higgs-boson-henfald), dens større overflod gør det muligt for fysikere at sondere længere ind i områderne med højt tværgående momentum, hvor produktionshastigheden falder på grund af de sammenstødende protoners sammensatte struktur.

I nye resultater offentliggjort i denne måned, ATLAS-samarbejdet ved CERN studerede det fulde LHC Run 2-datasæt for at give en opdateret måling af H→bb, hvor Higgs-bosonen produceres i forbindelse med en vektorboson (W eller Z). Blandt flere nye resultater, ATLAS rapporterer observation af Higgs-boson-produktion i forbindelse med en Z-boson med en signifikans på 5,3 standardafvigelser (σ), og bevis for produktion med en W-boson med en signifikans på 4,0 σ.

Den nye analyse bruger ~75% flere data end den forrige udgave. Yderligere, ATLAS-fysikere implementerede flere forbedringer, herunder:

• Better Boosted Decision Tree (BDT) maskinlæringsalgoritmer, der bruges til at adskille kollisioner, der indeholder en Higgs-boson, fra dem, der kun indeholder baggrundsprocesser. Figur 2 viser adskillelsen opnået mellem disse processer af en af ​​BDT'erne.
• Opdaterede valg bruges til at identificere interessekollisioner beriget i de forskellige baggrundsprocesser. Disse "kontrolområder" gjorde det muligt for fysikerne at få en bedre forståelse af og styr på baggrundsprocesserne.
• Øget antal simulerede kollisioner. Selvom det er afgørende for at forudsige baggrunde i en måling, simulering af kollisioner i hele ATLAS-detektoren er en computerkrævende proces. I denne nye analyse, hold i hele ATLAS gjorde en stor indsats for at øge antallet af simulerede kollisioner med en faktor fire sammenlignet med den tidligere analyse.

Disse forbedringer gjorde det muligt for ATLAS-fysikere at foretage mere præcise målinger af Higgs-bosonproduktionshastigheden ved forskellige tværgående momenta, og udvide deres rækkevidde til højere værdier.

ATLAS-fysikere annoncerede også en udvidelse af H→bb-studiet:en ny version af analysen designet til at undersøge Higgs-bosonen, når den produceres med meget store tværgående momenta. Normalt, de to b-kvarker fra H→bb-henfaldet manifesterer sig i ATLAS-detektoren som to separate sprays af stærkt kollimerede og energiske partikler, kaldet "jetfly". Imidlertid, når Higgs-bosonen produceres ved meget stor tværgående momentum, over to gange Higgs-bosonmassen på 125 GeV, H→bb-systemet er "forstærket". De to b-kvarker har så en tendens til at blive produceret tæt på hinanden, smelter sammen til én jet, som vist i begivenhedsdisplayet ovenfor. Den nye analyse brugte forskellige b-jet-rekonstruktionsalgoritmer, der var indstillet til dette boostede regime. De tillod fysikere at identificere forstærkede H→bb-henfald, rekonstruere massen af ​​Higgs bosonen, og identificere et overskud i forhold til baggrundsprocesserne, som vist i figur 3.

Den nye teknik gjorde det muligt for ATLAS at udforske det særligt interessante Higgs-boson-faserum af store tværgående momentumhændelser med forbedret effektivitet. Det tillod yderligere fysikere at se på Higgs-bosoner produceret ved endnu større tværgående momentumværdier - et vigtigt fremskridt i søgen efter ny fysik.

Disse analyser er afgørende skridt i en lang rejse mod at måle egenskaberne af Higgs boson. Efterhånden som fysikere forbedrer deres algoritmer yderligere, forbedre deres forståelse af baggrundsprocesser og indsamle flere data, de begiver sig stadig længere ind på ukendt territorium, hvor ny fysik kan vente.