CERN-eksperimenter annoncerer de første indikationer på en sjælden Higgs-bosonproces

Ved den 40. ICHEP-konference, ATLAS- og CMS-eksperimenterne annoncerede nye resultater, som viser, at Higgs-bosonen henfalder til to myoner. Myonen er en tungere kopi af elektronen, en af ​​de elementarpartikler, der udgør universets stofindhold. Mens elektroner er klassificeret som en førstegenerationspartikel, myoner tilhører anden generation. Den fysikproces, hvor Higgs-bosonen henfalder til myoner, er et sjældent fænomen, da kun omkring en Higgs-boson ud af 5000 henfalder til myoner. Disse nye resultater har afgørende betydning for fundamental fysik, fordi de for første gang indikerer, at Higgs-bosonen interagerer med andengenerations elementarpartikler.

Fysikere ved CERN har studeret Higgs -bosonen siden dets opdagelse i 2012 for at undersøge egenskaberne af denne helt særlige partikel. Higgs boson, produceret fra protonkollisioner ved Large Hadron Collider, desintegrerer - omtalt som henfald - næsten øjeblikkeligt til andre partikler. En af hovedmetoderne til at studere Higgs-bosonens egenskaber er ved at analysere, hvordan den henfalder til de forskellige fundamentale partikler og nedbrydningshastigheden.

CMS opnåede bevis for dette henfald med 3 sigma, hvilket betyder, at chancen for at se Higgs-bosonen henfalde til et myonpar fra statistiske udsving er mindre end én ud af 700. ATLAS's to-sigma resultat betyder, at chancerne er én ud af 40. Kombinationen af ​​begge resultater ville øge signifikansen langt over 3 sigma og giver stærke beviser for Higgs-bosonets henfald til to myoner.

"CMS er stolt over at have opnået denne følsomhed over for nedbrydningen af ​​Higgs bosoner over for myoner, og for at vise det første eksperimentelle bevis for denne proces. Higgs boson synes også at interagere med andengenerations partikler i overensstemmelse med forudsigelsen af ​​standardmodellen, et resultat, der vil blive yderligere forfinet med de data, vi forventer at indsamle i næste kørsel, " sagde Roberto Carlin, talsmand for CMS-eksperimentet.

Higgs-bosonen er kvantemanifestationen af ​​Higgs-feltet, som giver masse til elementarpartikler, det interagerer med, via Brout-Englert-Higgs-mekanismen. Ved at måle den hastighed, hvormed Higgs-bosonet henfalder til forskellige partikler, fysikere kan udlede styrken af ​​deres interaktion med Higgs-feltet:jo højere hastigheden af ​​henfald i en given partikel, jo stærkere dens interaktion med feltet. Indtil nu, ATLAS- og CMS-eksperimenterne har observeret Higgs-bosonet henfalder til forskellige typer bosoner såsom W og Z, og tungere fermioner såsom tau leptoner. Samspillet med de tungeste kvarker, toppen og bunden, blev målt i 2018. Myoner er meget lettere i sammenligning, og deres interaktion med Higgs-feltet er svagere. Interaktioner mellem Higgs boson og muoner havde, derfor, ikke tidligere set på LHC.

"Dette bevis på, at Higgs-bosonen henfalder til andengenerations-stofpartikler, supplerer et meget vellykket Run 2 Higgs-fysikprogram. Målingerne af Higgs-bosonens egenskaber har nået et nyt trin i præcision, og sjældne henfaldstilstande kan behandles. Disse resultater er afhængige af stort LHC-datasæt, ATLAS-detektorens enestående effektivitet og ydeevne og brugen af ​​nye analyseteknikker sagde Karl Jakobs, ATLAS talsmand.

Det, der gør disse undersøgelser endnu mere udfordrende, er, at ved LHC, for hvert forudsagt Higgs-boson, der henfalder til to myoner, der er tusindvis af myonpar produceret gennem andre processer, der efterligner den forventede eksperimentelle signatur. Den karakteristiske signatur af Higgs bosonens henfald til myoner er et lille overskud af begivenheder, der samler sig nær en myon-parmasse på 125 GeV, som er massen af ​​Higgs bosonen. At isolere Higgs-bosonen til muon-par-interaktioner er ingen let bedrift. For at gøre det, begge eksperimenter måler energien, momentum og vinkler af muon-kandidater fra Higgs bosonens forfald. Ud over, følsomheden af ​​analyserne blev forbedret gennem metoder såsom sofistikerede baggrundsmodelleringsstrategier og andre avancerede teknikker såsom maskinlæringsalgoritmer. CMS kombinerede fire separate analyser, hver optimeret til at kategorisere fysikhændelser med mulige signaler fra en specifik Higgs bosonproduktionstilstand. ATLAS opdelte deres begivenheder i 20 kategorier, der var rettet mod specifikke Higgs bosonproduktionstilstande.

Resultaterne, som indtil videre er i overensstemmelse med standardmodellens forudsigelser, brugte det fulde datasæt indsamlet fra den anden kørsel af LHC. Med flere data, der skal registreres fra partikelacceleratorens næste kørsel og med High-Luminosity LHC, ATLAS- og CMS-samarbejdet forventer at nå den følsomhed (5 sigma), der er nødvendig for at etablere opdagelsen af ​​Higgs-bosonets henfald til to myoner og begrænse mulige fysikteorier ud over Standardmodellen, der ville påvirke denne henfaldstilstand for Higgs-bosonen.