Undersøger mørkt stof med Higgs -bosonen

Synligt stof - alt fra pollen til stjerner og galakser - tegner sig for cirka 15% af universets samlede masse. De resterende 85% er lavet af noget helt andet end ting, vi kan røre og se:mørkt stof. På trods af overvældende beviser fra observationen af ​​tyngdekraftseffekter, arten af ​​mørkt stof og dets sammensætning er stadig ukendt.

Hvordan kan fysikere undersøge mørkt stof ud over tyngdekraftseffekter, hvis det er praktisk talt usynligt? Forskere følger tre tilgange:

• indirekte påvisning med astronomiske observatorier, der søger efter forfaldsprodukterne ved tilintetgørelse af mørkt stof i galaktiske centre
• direkte påvisning med meget følsomme lavbaggrundsforsøg på udkig efter mørkt stof, der spredes fra kerner
• skaber mørkt stof i det kontrollerede laboratoriemiljø i Large Hadron Collider (LHC) på CERN.

Selvom det lykkedes at beskrive elementarpartikler og deres interaktioner ved lave energier, Standardmodellen for partikelfysik inkluderer ikke en levedygtig partikel af mørkt stof. De eneste mulige kandidater, neutrinoer, ikke har de rigtige egenskaber til at forklare det observerede mørke stof. For at afhjælpe dette problem, en simpel teoretisk udvidelse af standardmodellen antyder, at eksisterende partikler, såsom Higgs boson, fungere som en "portal" mellem kendte partikler og mørke stofpartikler. Siden Higgs -bosonen parrer sig til messe, massive partikler af mørkt stof bør interagere med det. Higgs -bosonen har stadig store usikkerheder forbundet med styrken af ​​dets interaktion med standardmodelpartikler; op til 30% af Higgs-bosons forfald kan potentielt være usynlige, ifølge de seneste ATLAS kombinerede Higgs-boson-målinger.

Kunne nogle af Higgs -bosonerne forfalde til mørkt stof? Da mørkt stof ikke interagerer direkte med ATLAS -detektoren, fysikere leder efter tegn på "usynlige partikler, "udledes af momentumbevaring af proton -proton -kollisionsprodukterne. Ifølge standardmodellen, brøkdelen af ​​Higgs bosoner, der henfalder til en usynlig sluttilstand (fire neutrinoer!) tegner sig for kun 0,1% og er derfor ubetydelig. Skulle sådanne begivenheder observeres, det ville være en direkte indikation af ny fysik og potentielt bevis på, at Higgs-bosoner forfalder til partikler i mørkt stof.

På LHC, den mest følsomme kanal til at søge efter direkte henfald af Higgs-bosonen til usynlige partikler er via den såkaldte vektor bosonfusion (VBF) produktion af Higgs-bosonet. VBF Higgs-boson produktion resulterer i to sprays af partikler (kaldet "jets"), der peger i en mere fremadgående retning i ATLAS-detektoren. Det her, kombineret med et stort manglende momentum i vinkelret retning ("tvær") til stråleaksen fra de usynlige partikler i mørkt stof, skaber en unik signatur, som ATLAS -fysikere kan søge efter.

ATLAS -samarbejdet har undersøgt det fulde LHC Run 2 -datasæt, indsamlet af detektoren i 2015–2018, at søge efter Higgs-boson henfald til partikler af mørkt stof i VBF-begivenheder. Der blev ikke fundet et væsentligt overskud af hændelser over den forventede baggrund fra kendte standardmodelprocesser i analysen. ATLAS afledt, på et 95% konfidensniveau, en udelukkelse bundet af Higgs-boson henfald til usynlige partikler på 13%. Denne analyse omfattede omtrent 75% flere data end den tidligere ATLAS -søgning, og teamet implementerede flere forbedringer, herunder:

• Hurtigere filtreringsalgoritmer til at generere flere simulerede kollisioner med tilsvarende computerkraft. Manglende simulerede hændelser var den førende usikkerhed i den første 13 TeV -version af denne analyse.
• Optimeret valg af kollision til at acceptere ~ 50% flere Higgs-boson-hændelser på det samme datasæt.
• Forfinet hændelseskategorisering til at resultere i et højere signal-til-baggrund-forhold i søgeregionerne. Dette kan ses i figur 1, da den røde kurve i det nederste panel stiger med højere invariant masse af de to førende jetfly (m _jj ).
• Forbedret accept for kollisioner beriget i baggrundsprocesser, giver analytikerne mulighed for at forbedre baggrunds-procesmodelleringen.

Denne observerede eksklusion er i overensstemmelse med ingen tegn på, at Higgs -bosonen forfalder til mørkt stof. De nye resultater fremmer søgningen efter svagt interagerende massive partikler (WIMP'er), en populær kandidat til mørkt stof. ATLAS satte yderligere udelukkelsesgrænser for lavere WIMP -masser, som sammenlignes med andre direkte detekteringsforsøg i figur 2. Disse grænser er konkurrencedygtige med de bedste direkte detektionsforsøg for WIMP-masser op til halvdelen af ​​Higgs-bosonmassen, forudsat at Higgs -bosonen interagerer direkte med mørkt stof.

Denne nye analyse sætter de stærkeste eksisterende grænser for, at Higgs -bosonen forfalder til usynlige partikler til dato. Mens søgningen fortsætter, fysikere vil fortsætte med at øge følsomheden over for denne grundlæggende sonde for mørkt stof.