Udforsker nye måder at se Higgs boson på

ATLAS- og CMS-samarbejdet præsenterede deres seneste resultater om nye signaturer til påvisning af Higgs-bosonen ved CERNs Large Hadron Collider. Disse omfatter søgninger efter sjældne transformationer af Higgs-bosonen til en Z-boson - som er en bærer af en af ​​naturens grundlæggende kræfter - og en anden partikel. At observere og studere transformationer, der forudsiges at være sjældne, hjælper med at fremme vores forståelse af partikelfysik og kan også vise vej til ny fysik, hvis observationer afviger fra forudsigelserne. Resultaterne omfattede også søgninger efter tegn på Higgs-transformationer til "usynlige" partikler, som kunne skinne lys på potentielle mørkt stof partikler. Analyserne involverede næsten 140 omvendte femtobarns data, eller omkring 10 millioner milliarder proton-proton-kollisioner, optaget mellem 2015 og 2018.

ATLAS- og CMS-detektorerne kan aldrig se en Higgs-boson direkte:en flygtig partikel, det omdannes (eller "henfalder") til lettere partikler næsten umiddelbart efter at være blevet produceret i proton-proton-kollisioner, og de lettere partikler efterlader signaturer i detektorerne. Imidlertid, lignende signaturer kan produceres af andre standardmodelprocesser. Forskere skal derfor først identificere de individuelle stykker, der matcher denne signatur og derefter opbygge nok statistiske beviser til at bekræfte, at kollisionerne faktisk havde produceret Higgs-bosoner.

Da det blev opdaget i 2012, Higgs-bosonen blev primært observeret i transformationer til par af Z-bosoner og par af fotoner. Disse såkaldte "henfaldskanaler" har relativt rene signaturer, hvilket gør dem lettere at spore, og de er blevet observeret på LHC. Andre transformationer forventes kun at forekomme meget sjældent, eller at have en mindre klar signatur, og er derfor udfordrende at få øje på.

Hos LHCP, ATLAS præsenterede de seneste resultater af deres søgninger efter en sådan sjælden proces, hvor en Higgs-boson omdannes til en Z-boson og en foton (γ). Det således fremstillede Z, selv er ustabil, forvandles til par leptoner, enten elektroner eller myoner, efterlader en signatur af to leptoner og en foton i detektoren. Givet den lave sandsynlighed for at observere en Higgs-transformation til Z _γ med datamængden analyseret, ATLAS var i stand til at udelukke muligheden for, at mere end 0,55 % af Higgs-bosonerne produceret i LHC ville forvandle sig til Z _γ . "Med denne analyse, siger Karl Jakobs, talsmand for ATLAS-samarbejdet, "Vi kan vise, at vores eksperimentelle følsomhed for denne signatur nu er nået tæt på standardmodellens forudsigelse." Den ekstraherede bedste værdi for H→Zγ-signalstyrken, defineret som forholdet mellem det observerede og det forudsagte standard-model signaludbytte, er fundet at være 2,0 ^+1,0 _-0,9 .

CMS præsenterede resultaterne af den første søgning efter Higgs-transformationer, der også involverede en Z-boson, men ledsaget af en ρ (rho) eller φ (phi) meson. Z-bosonen forvandles igen til leptonpar, mens den anden partikel forvandles til par af pioner (ππ) i tilfælde af ρ og til par af kaoner (KK) i tilfælde af φ. "Disse transformationer er ekstremt sjældne, " siger Roberto Carlin, talsmand for CMS-samarbejdet, "og forventes ikke at blive observeret på LHC, medmindre fysik fra hinsides standardmodellen er involveret." De analyserede data gjorde det muligt for CMS at udelukke, at mere end cirka 1,9 % af Higgs-bosonerne kunne transformeres til Zρ, og mere end 0,6 % kunne transformeres til Zφ. Selvom disse grænser er meget større end forudsigelserne fra standardmodellen, de demonstrerer detektorernes evne til at gøre indhug i søgen efter fysik ud over Standardmodellen.

Den såkaldte "mørke sektor" inkluderer hypotetiske partikler, der kan udgøre mørkt stof, det mystiske element, der tegner sig for mere end fem gange massen af ​​almindeligt stof i universet. Forskere mener, at Higgs-bosonen kan indeholde spor om beskaffenheden af ​​mørkt stof partikler, da nogle udvidelser af standardmodellen foreslår, at en Higgs-boson kunne forvandle sig til mørkt stof partikler. Disse partikler ville ikke interagere med ATLAS- og CMS-detektorerne, hvilket betyder, at de forbliver "usynlige" for dem. Dette ville give dem mulighed for at undslippe direkte detektion og manifestere sig som "manglende energi" i kollisionshændelsen. Hos LHCP, ATLAS præsenterede deres seneste øvre grænse - på 13% - for sandsynligheden for, at en Higgs-boson kunne forvandle sig til usynlige partikler kendt som svagt interagerende massive partikler, eller WIMP'er, mens CMS præsenterede resultater fra en ny søgning i Higgs-transformationer til fire leptoner via mindst én mellemliggende "mørk foton", præsenterer også grænser for sandsynligheden for, at en sådan transformation finder sted ved LHC.

Higgs-bosonen fortsætter med at vise sig at være uvurderlig til at hjælpe videnskabsmænd med at teste partikelfysikkens standardmodel og søge fysik, der kan ligge hinsides. Dette er kun nogle af de mange resultater vedrørende Higgs-bosonen, der blev præsenteret på LHCP.

Teknisk note

Når datamængderne ikke er høje nok til at gøre krav på en sikker observation af en bestemt proces, fysikere kan forudsige de grænser, de forventer at sætte på processen. I tilfælde af Higgs-transformationer, disse grænser er baseret på produktet af to udtryk:den hastighed, hvormed et Higgs-boson produceres i proton-proton-kollisioner (produktionstværsnit), og den hastighed, hvormed det vil gennemgå en bestemt transformation til lettere partikler (forgrenende fraktion).

ATLAS forventes at placere en øvre grænse på 1,7 gange standardmodellens forventning for processen, der involverer Higgs-transformationer til en Z-boson og en foton (H→Zγ), hvis en sådan transformation ikke var til stede; samarbejdet var i stand til at placere en øvre grænse på 3,6 gange denne værdi, nærmer sig følsomheden over for standardmodellens forudsigelser. CMS-søgningerne var en meget sjældnere proces, forudsagt af standardmodellen kun at forekomme én gang ud af hver million Higgs-transformationer, og samarbejdet var i stand til at sætte øvre grænser på omkring 1000 gange standardmodellens forventninger til H→Zρ- og H→Zφ-processerne.