Ekstremt sjælden Higgs boson henfaldsproces spottet

Higgs-bosonen nåede nattens berømmelse i 2012, da den endelig blev opdaget i et virvar af andre partikler genereret ved CERNs Large Hadron Collider (LHC) i Genève, Schweiz. Opdagelsen var monumental, fordi Higgs boson, som man tidligere kun havde teoretiseret om, har den særlige egenskab at give andre elementarpartikler masse. Det er også yderst sjældent og svært at identificere i affaldet af kolliderende partikler.

Caltech-fysikere spillede en stor rolle i Higgs-bosonopdagelsen, et resultat, der gav den teoretiske fysiker Peter Higgs en del af 2013 Nobelprisen i fysik, og nu fortsætter de med at gøre væsentlige fund om sjældne Higgs bosonprocesser.

Den her sommer, for første gang, partikelfysikere ved hjælp af data indsamlet ved eksperimentet kendt som Compact Muon Solenoid (CMS) ved LHC, har fundet beviser for, at Higgs-bosonen henfalder til et par elementære partikler kaldet muoner. Muon er en tungere version af elektronen, og både myoner og elektroner tilhører en klasse af partikler kendt som fermioner, som beskrevet i den bredt accepterede model af partikler kaldet Standard Model. Standardmodellen klassificerer alle partikler som enten fermioner eller bosoner. Generelt, fermioner er byggesten for al materie, og bosoner er kraftbærerne.

En myon er også det, der er kendt som en andengenerationspartikel. Førstegenerations fermionpartikler såsom elektroner er de letteste af partikler; anden og tredje generations partikler kan forfalde til at blive første generations partikler. Det nye fund repræsenterer det første bevis på, at Higgs-bosonen interagerer med anden generations fermioner.

Ud over, dette resultat giver yderligere bevis for, at nedbrydningshastigheden af ​​Higgs til fermionpar er proportional med kvadratet af fermionmassen. Dette er en vigtig forudsigelse af Higgs -teorien. Med flere data, LHC-eksperimenterne forventes at bekræfte, at Higgs faktisk giver de fundamentale partikler deres masse.

"Vigtigheden af ​​denne måling er, at vi undersøger sjældne processer, der involverer Higgs-bosonen, og vi er i Higgs-fysikundersøgelsesregimet, hvor enhver afvigelse fra standardmodellens forudsigelser kan pege os på ny fysik, " siger Maria Spiropulu, Shang-Yi Ch'en-professoren i fysik ved Caltech.

Forskere analyserer data fra et andet instrument på LHC, kendt som ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS), fandt også bekræftende beviser for, at Higgs-bosonet henfalder til myoner. Resultaterne fra begge eksperimenter blev præsenteret på den 40. internationale konference om højenergifysik i august 2020.

"Vi har brug for flere data og smarte analysemetoder for at bekræfte vores resultater, men det er første gang, vi ser beviser på, at Higgs-bosonen henfalder til to myoner, " siger Irene Dutta (MS '20), et Caltech CMS-teammedlem og kandidatstuderende i Spiropulus laboratorium. "Dette resultat validerer eksperimentelt, at forudsigelserne af standardmodellen for partikelfysik er spot-on. Selv en lille afvigelse fra vores model ville fortælle os, at noget andet foregår, men indtil videre er standardmodellen fast, «siger Dutta.

Fundet vil i sidste ende hjælpe forskere med bedre at forstå, hvordan Higgs -bosonet giver masse til fermionerne. Higgs -bosonen kan opfattes som Higgs -feltets jiggling eller ophidselse. Higgs-feltet fungerer som en tyk sirup, og når partikler bevæger sig gennem det, de erhverver masse; jo langsommere bevæger partiklerne sig gennem feltet, jo tungere er de (se video for en metaforisk illustration af konceptet).

"Vi ønsker at forstå oprindelsen af ​​masse i vores univers, " siger Caltech CMS-teammedlem Nan Lu, en postdoc i Spiropulus laboratorium. "Higgs-bosonen er et eksperimentelt værktøj til at forstå denne mekanisme, og kunne være et håndtag til at opdage ny fysik. Vi kan ikke systematisk observere Higgs boson eller andre elementære partikler, undtagen i deres manifestation i højenergipartikelkollisioner, men de er de grundlæggende byggesten i vores univers, " siger Lu.

Caltech-holdet bidrog til det nye fund ved at søge efter Higgs-bosoner produceret af en bestemt mekanisme, hvor to partikler kaldet kvarker også genereres på samme tid (kvarker er en anden type fermion). Denne proces er af særlig interesse, fordi de to kvarker tilbyder forskellige signaturer for at hjælpe med at identificere Higgs -bosonerne. Lu udviklede metoden til at undersøge følsomheden af ​​CMS -søgningen efter forskellige masser af Higgs -bosonen, derved forbedrer tilliden til resultaterne. Dutta arbejdede med at demonstrere kraften i et avanceret værktøj til kunstig intelligens (AI), kendt som et dybt neuralt netværk, til analyse af LHC -data.

Både Dutta og Lu hjalp med at udlede de endelige følsomhedsresultater. Tidligere Caltech -postdoktor Joosep Pata, som nu er på fakultetet for National Institute of Chemical Physics and Biophysics i Estland, udviklet nye metoder til at fremskynde den komplekse beregningsanalyse, der blev brugt i projektet.

"At undersøge egenskaberne ved Higgs-bosonen er ensbetydende med at søge efter ny fysik, som vi ved skal være der," sagde Spiropulu. "Jeg er især stolt af arbejdet af Nan, Irene, Joosep, og hele Caltech CMS-gruppen, hvis talent, mangfoldighed, og resultater skinner i landskabet af et storslået internationalt samarbejde."