Forfiner billedet af Higgs boson

For at forklare masserne af elektro svage bosoner - W- og Z -bosonerne - postulerede teoretikere i 1960'erne en mekanisme for spontan symmetribrud. Selvom denne matematiske formalisme er relativt enkel, dens hjørnesten - Higgs -bosonen - forblev uopdaget i næsten 50 år.

Siden opdagelsen i 2012, forskere fra ATLAS- og CMS -eksperimenterne ved CERN's Large Hadron Collider (LHC) har utrætteligt undersøgt egenskaberne af Higgs -bosonen. De har målt dens masse til at være omkring 125 GeV - det er cirka 130 gange massen af ​​protonen i hvile - og fandt ud af, at den har nul elektrisk ladning og spin.

Spejlbilledet

Forskere satte sig for at bestemme Higgs -bosons paritetsegenskaber ved at måle dets forfald til par W -bosoner (H → WW*), Z bosoner (H → ZZ*) og til fotoner (H → γγ). Gennem disse målinger, de bekræftede, at Higgs-bosonen endda har ladningsparitet (CP). Det betyder, at - som forudsagt af standardmodellen - ændres Higgs -bosons interaktioner med andre partikler ikke, når de "kigger" i CP -spejlet.

Som enhver forvrængning i dette CP -spejl (eller "CP -krænkelse i Higgs -interaktioner"), såsom CP-ulige blandinger, ville indikere tilstedeværelsen af ​​endnu uopdagede fænomener, fysikere ved LHC undersøger styrkerne ved Higgs-boson-koblinger meget omhyggeligt. Et nyt resultat fra ATLAS Collaboration, frigivet til Higgs 2020 -konferencen, sigter mod at berige Higgs -billedet ved at studere dets WW* henfald.

Et nyt ATLAS -studie undersøger CP -karakteren af ​​den effektive kobling mellem Higgs -bosonen og gluonerne (mediatorpartiklerne af den stærke kraft). Indtil nu, gluon-fusionsinduceret produktion af en Higgs-boson, i forbindelse med to partikelstråler, ikke var blevet undersøgt i en dedikeret analyse. Undersøgelsen af ​​denne produktionsmekanisme er en glimrende måde at søge efter tegn på CP -overtrædelse, da det påvirker Higgs-boson kinematikken, efterlader et spor i den azimutale vinkel mellem strålerne målt ved ATLAS.

Polarisationsfilter

Ved høje energier, de svage og elektromagnetiske kræfter smelter sammen til en enkelt svag kraft. Alligevel ved lave energier, elektromagnetiske bølger (såsom lys) kan rejse en uendelig afstand, mens svage interaktioner har et begrænset område. Dette skyldes, at i modsætning til fotoner (bærerne af den elektromagnetiske kraft), W- og Z -bosoner er massive. Deres masser stammer fra interaktioner med Higgs -feltet.

En anden forskel er, at elektromagnetiske bølger er tværgående; svingninger i det elektromagnetiske felt forekommer kun i planet vinkelret på dets udbredelse. W og Z bosoner, på den anden side, har både langsgående og tværgående polarisationer på grund af deres interaktioner med Higgs -feltet. Der er et subtilt samspil mellem disse langsgående polarisationer og bosonmasserne, der sikrer, at standardmodelforudsigelser forbliver begrænsede.

Skulle Higgs -bosonen ikke være en grundlæggende skalarpartikel, og i stedet en enhed, der stammer fra ny dynamik, en anden (mere kompliceret) mekanisme skulle give masse til W- og Z -bosonerne. I et sådant tilfælde, de målte Higgs-boson-koblinger med elektrosvage bosoner kan afvige fra de forudsagte standardmodelværdier.

ATLAS Collaboration har frigivet sin første undersøgelse af individuelle polarisationsafhængige Higgs-boson-koblinger til massive svage bosoner. Specifikt, fysikere undersøgte produktionen af ​​Higgs bosoner gennem vektor-boson fusion i forbindelse med to jetfly. Ligesom et polariseringsfilter hjælper dig med at tage et skarpere billede ved havet ved selektivt at absorbere polariseret lys, denne nye ATLAS-undersøgelse undersøgte individuelle Higgs-boson-koblinger til langsgående og tværgående polariserede elektro svage bosoner. Yderligere, ligner undersøgelsen af ​​Higgs-boson-koblingen til gluoner, tilstedeværelsen af ​​en ny mekanisme ville påvirke kinematikken af ​​jetflyene målt ved ATLAS.

Følg disse jetfly!

Hovedudfordringen ved disse analyser er sjældenheden af ​​de Higgs-boson-begivenheder, der undersøges. For de signalvalg, der er undersøgt i det nye ATLAS -resultat, kun omkring 60 Higgs-bosoner observeres via gluonfusion og kun 30 Higgs-bosoner via vektor-boson-fusion. I mellemtiden, baggrundshændelser er næsten hundrede gange mere rigelige. For at tackle denne udfordring, begge analyser tællede ikke kun hændelser, men kiggede også ind i formerne for den azimutale vinkel (vinklen på tværs af protonstrålernes retning) mellem de to stråler. Korrelationen mellem disse jetfly har hjulpet med at løse egenskaber ved Higgs-boson-produktion.

Forskere brugte teknikken til parameter morphing til at interpolere og ekstrapolere fordelingen af ​​denne vinkel fra et lille sæt koblingsbenchmarks til en lang række koblingsscenarier. De tilpassede fordelinger af den azimutale vinkel mellem dyserne er vist i figur 1 og 2.

Indtil nu, begge distributioner viser ingen tegn på ny fysik. Når endnu flere LHC -data er analyseret (disse undersøgelser omfatter kun data indsamlet i 2015 og 2016), de skraverede områder i plottene, der repræsenterer målingens usikkerhed, bør falde. Dette vil give et endnu skarpere billede af Higgs -bosonen.