Higgs boson sonderer efter nye fænomener

Fysikere ved CERNs Large Hadron Collider (LHC) er på jagt efter fysikfænomener ud over standardmodellen. Nogle teorier forudsiger, at en endnu uopdaget partikel kan findes i form af en ny resonans (en smal top), der ligner den, der varslede opdagelsen af ​​Higgs-bosonen i 2012.

Imidlertid, Naturen er ikke altid så venlig, og nye resonanser kan være så massive, at deres produktion kræver kollisionsenergier ud over LHC'ens. Hvis så, alt er ikke tabt. Ligesom let skrånende terræn kan indikere tilstedeværelsen af ​​en bjergtop forude, LHC-data kan indeholde nogle hints om, at interessante fænomener er til stede på højere energiskalaer.

En meget effektiv model

I stedet for at lede efter en ny partikel, fysikere kan lede efter nye typer af interaktioner, ikke til stede i standardmodellen. Da deres underliggende mekanismer er ukendte, disse interaktioner kaldes "effektive" interaktioner, og deres ramme "effektiv feltteori" (EFT). Næsten alle typer af ny fysik giver anledning til disse nye interaktioner, med forskellige teoretiske modeller, der efterlader forskellige fodspor på EFT. Imidlertid, virkningerne kan være subtile, især hvis højmasse-fænomenerne er langt uden for rækkevidde af LHC's kollisionsenergi.

Da disse yderligere interaktioner ville påvirke alle fysikprocesser, forskere ved ATLAS-eksperimentet implementerer en ny søgestrategi, der kombinerer målinger på tværs af hele spektret af deres forskningsprogram. En ny ATLAS-analyse udgivet i dag bruger kombinerede målinger af Higgs-bosonets egenskaber til at søge efter tegn på nye fænomener ved hjælp af denne EFT-ramme. Da der ikke er set sådanne nye fænomener, fysikere sætter begrænsninger for deres størrelse. Ud af alle de mulige nye interaktioner mellem standardmodelpartikler, kun en delmængde relateret til Higgs-bosonen kunne testes (dem, der blev undersøgt i den oprindelige kombinerede måling, som inkluderer Higgs-boson henfald til to b-kvarker, to fotoner, og fire leptoner).

Figur 1 viser de tilladte områder for koblingskoefficienterne for nye EFT-interaktioner, som ATLAS-analysen er følsom over for. Standardmodellen kræver, at alle disse koefficienter er nul, da interaktionerne ikke er til stede. Betydelige positive eller negative afvigelser ville indikere nye fænomener.

Alle ATLAS målinger er kompatible med standardmodellen, indikerer, at hvis ny fysik er til stede, det er enten ved energiskalaer større end 1 TeV (referencemasseskalaen, som disse resultater er rapporteret for), eller det manifesterer sig i andre interaktioner, som ikke er undersøgt af denne undersøgelse. I mellemtiden, takket være designet af analysen, resultaterne kan føjes til bredere kombinationer, med EFT-målinger opnået i andre målekanaler og endda i andre eksperimenter.

En super model

Den minimale supersymmetriske standardmodel (MSSM) er en udvidelse af standardmodellen, som forudsiger (udover et væld af andre nye partikler) i alt 5 Higgs-bosoner - to skalarer (h og H), en pseudoskalær (A), og to ladede Higgs-bosoner (H ^+/- ) – samt mulige modifikationer af interaktionerne af den observerede 125 GeV Higgs boson.

Fysikere bruger to komplementære strategier til at søge efter hints af MSSM:at lede direkte efter nye partikler, eller indirekte gennem præcise målinger af Higgs bosonens egenskaber. I en anden ny analyse udgivet af ATLAS Collaboration, forskere fulgte sidstnævnte strategi, ved at bruge den seneste kombination af Higgs-koblingsmålinger i alle tilgængelige henfaldskanaler til at sætte begrænsninger på MSSM-parametre. De udforskede adskillige MSSM benchmarkscenarier, som alle antog 125 GeV Higgs bosonen for at være den letteste skalar h.

Et eksempel er vist i figur 2, hvor nogle af de nye partikler forudsagt i modellen er relativt lette. Det viser, at ikke kun store intervaller af parameterrum er udelukket, men at disse ekskluderinger også fint supplerer dem fra tidligere udførte direkte søgninger.

Indtil nu, standardmodellen vinder

ATLAS' nye resultater sætter begrænsninger for den mulige natur af ny fysik under EFT-rammen og udelukker store dele af parameterrum i MSSM-scenarier. Deres succes er kun det første skridt i den nye kombinerede måling søgestrategi. Ved at udvide omfanget af fremtidige målinger til at omfatte flere analyser – inklusive dem, der involverer vektorbosoner og topkvarker – og tilføje flere data, fysikere planlægger at give standardmodellen en endnu hårdere udfordring.