ATLAS søger efter par af Higgs-bosoner i et sjældent partikelhenfald

Siden Higgs-bosonen blev opdaget i 2012, forskere ved Large Hadron Collider (LHC) har studeret egenskaberne af denne meget specielle partikel og dens relation til den fundamentale mekanisme, der er afgørende for dannelsen af ​​masse af elementarpartikler. En egenskab, der mangler at blive eksperimentelt verificeret, er om Higgs-bosonen er i stand til at koble sig til sig selv, kendt som selvkobling. En sådan interaktion ville bidrage til produktionen af ​​et par Higgs-bosoner i LHC's højenergi-proton-proton-kollisioner, en utrolig sjælden proces i standardmodellen - mere end 1000 gange sjældnere end produktionen af ​​en enkelt Higgs-boson! At måle en Higgs boson-selvkobling, der er forskellig fra den forudsagte værdi, ville have vigtige konsekvenser; universet kan muligvis gå over i en lavere energitilstand, og lovene, der styrer stoffets interaktioner, kan antage en meget anden form.

Ved den igangværende Rencontres de Moriond-konference, ATLAS-samarbejdet præsenterede resultatet af en undersøgelse, der udforsker dette spørgsmål yderligere. ATLAS-fysikere ledte efter de to nært beslægtede Higgs-par produktionsprocesser, der kunne være til stede i LHC-kollisioner, selvom kun én af disse er relateret til Higgs boson-selvkoblingen og bidrager positivt til produktionen af ​​Higgs-par, når deres samlede masse er lav. Disse to processer forstyrrer kvantemekanismen mekanisk og undertrykker produktionen af ​​Higgs bosonpar i standardmodellen. Hvis et nyt fysikfænomen er på spil, det kunne ændre Higgs boson-selvkoblingen, og ATLAS kan se flere par af Higgs-bosoner end forventet - eller i partikelfysisk sprogbrug, måle et højere tværsnit.

Til deres nye undersøgelse, ATLAS-fysikere har udviklet nye analyseteknikker til at søge efter den sjældne proces, hvor en af ​​de to Higgs-bosoner henfalder til to fotoner og den anden henfalder til to bundkvarker (HH → ɣɣbb). Først, de opdelte proton-proton-kollisionshændelser i lav- og højmasseregioner, for at optimere følsomheden over for Higgs boson-selvkoblingen. Derefter, ved hjælp af en maskinlæringsalgoritme, de adskilte hændelser, der ligner HH → ɣɣbb -processen, fra dem, der ikke gør det. Endelig, de bestemte tværsnittet for Higgs-parproduktion og observerede, hvordan det varierer som funktion af forholdet mellem Higgs boson-selvkoblingen og dens standardmodelværdi. Dette gjorde det muligt for ATLAS at begrænse Higgs boson-selvkoblingen, mellem –1,5 og 6,7 gange standardmodellens forudsigelse, og også Higgs-par produktionstværsnittet. Resultatet på Higgs boson-selvkoblingen er mere end dobbelt så kraftigt som det tidligere ATLAS-resultat i den samme Higgs-par henfaldskanal.

Selvom dette resultat sætter verdens bedste begrænsninger for størrelsen af ​​Higgs boson-selvkoblingen, arbejdet er lige begyndt. Dette er en forsmag på, hvad der kommer, så meget mere data ville være nødvendig for at observere Higgs boson-selvkoblingen, hvis den var tæt på dens standardmodelforudsigelse. At observere Higgs boson-selvkoblingen er i sandhed en af ​​raisons d'être i High-Luminosity LHC (HL-LHC) programmet, en opgradering til LHC, der er planlagt til at starte i slutningen af ​​2020'erne. HL-LHC forventes at levere et datasæt, der er mere end 20 gange større end det, der blev brugt i denne analyse, og at operere ved højere kollisionsenergi. Hvis produktionen af ​​Higgs-par er som forudsagt af standardmodellen, det bør observeres i dette enorme datasæt, og der vil blive lavet en mere kvantitativ erklæring om styrken af ​​Higgs bosonkoblingen til sig selv.