Sjældent henfald af Higgs-bosonen kan pege på fysik ud over standardmodellen

Partikelfysikere har opdaget et nyt henfald af Higgs-bosonen for første gang, hvilket afslører en lille uoverensstemmelse i standardmodellens forudsigelser og måske peger på ny fysik hinsides den. Resultaterne er offentliggjort i tidsskriftet Physical Review Letters .

Higgs-bosonen, der er forudsagt teoretisk siden 1960'erne, blev endelig opdaget i 2012 på CERN-laboratoriet i Europa. Som et kvantefelt gennemtrænger det hele rummet, hvorigennem andre partikler bevæger sig, og erhverver masse via deres interaktion med Higgs-feltet, der groft kan ses som en slags modstand mod deres bevægelse.

Mange egenskaber ved Higgs-bosonen, herunder hvordan den interagerer med andre partikler og deres tilknyttede felter, er allerede blevet målt til at være i overensstemmelse med standardmodellens forudsigelser.

Men en Higgs-henfaldstilstand, der endnu ikke var blevet undersøgt, var en teoretisk forudsigelse om, at en Higgs-boson lejlighedsvis ville henfalde og producere en foton, lysets kvantum og en Z-boson, som er en uladet partikel, der sammen med de to W-bosoner formidler den svage kraft.

Forskere fra ATLAS- og CMS-samarbejdet på CERN brugte data fra proton-proton-kollisioner taget fra kørsel 2 fra 2015 til 2018 til at søge efter denne særlige Z+foton Higgs-henfald. Large Hadron Collider (LHC) ved CERN er højenergipartikelacceleratoren nær Genève i Schweiz, der cirkulerer protoner i modsatte retninger, mens de får dem til at kollidere ved specifikke detektorpunkter, millioner af gange i sekundet.

Til denne kørsel var energien i sammenstødet mellem de to protoner 13 billioner elektron-volt, lige under maskinens nuværende maksimum, som i mere relaterbare enheder er 2,1 mikrojoule. Det handler om den kinetiske energi for den gennemsnitlige myg, eller et gran salt, der rejser en meter i sekundet.

Teori forudsiger, at omkring 15 gange pr. 10.000 henfald, vil Higgs-bosonen henfalde til en Z-boson og en foton, det sjældneste henfald i standardmodellen. Det gør det ved først at producere et par topkvarker, eller et par W-bosoner, som derefter selv henfalder til Z og foton.

Atlas/CMS-samarbejdet, arbejde fra mere end 9.000 videnskabsmænd, fandt et "forgreningsforhold" eller en brøkdel af henfald på 34 gange pr. 10.000 henfald, plus eller minus 11 pr. 10.000-2,2 gange den teoretiske værdi.

Den målte fraktion er for stor - 3,4 standardafvigelser over den teoretiske værdi, et tal, der stadig er for lille til at udelukke et statistisk lykketræf. Alligevel antyder den relativt store forskel muligheden for en meningsfuld afvigelse fra teorien, som kan skyldes fysik ud over standardmodellen – nye partikler, der er andre mellemled end topkvarken og W-bosonerne.

En mulighed for fysik ud over standardmodellen er supersymmetri, teorien, der angiver en symmetri - et forhold - mellem partikler af et halvt spin, kaldet fermioner, og heltals spin, kaldet bosoner, hvor hver kendt partikel har en partner med et spin, der er forskelligt. med et halvt heltal.

Mange teoretiske fysikere har længe været fortalere for supersymmetri, da det ville løse mange gåder, der plager standardmodellen, såsom den store forskel (10 ²⁴ ) mellem styrkerne af den svage kraft og tyngdekraften, eller hvorfor massen af ​​Higgs-bosonen, omkring 125 gigaelectron-volts (GeV), er så meget mindre end den store foreningsenergiskala på omkring 10 ¹⁶ GeV.

I eksperimentet henfalder den massive Z-boson i omkring 3 × 10 ^-25 sekunder, længe før den ville nå en detektor. Så forsøgslederne kompenserede ved at se på energien af ​​de to elektroner eller to myoner, som Z-henfaldet ville producere, hvilket krævede, at deres kombinerede masse var større end 50 GeV, en betydelig brøkdel af Z'ens masse på 91 GeV.

"Dette meget flotte resultat opnået sammen med CMS-samarbejdet. Det er ifølge Standard Model-forudsigelsen den sjældneste Higgs-boson-sluttilstand, som vi har set første bevis for," siger Andreas Hoecker, talsmand for ATLAS-samarbejdet.

"Forfaldet sker gennem kvantesløjfer og er således følsomt over for ny fysik på en lignende, men ikke helt samme måde som to-foton-henfaldet, der bidrog til Higgs-bosonopdagelsen af ​​ATLAS og CMS i 2012."

"Dette resultat er imponerende af flere grunde," tilføjede Monica Dunford fra ATLAS Physics-samarbejdet. "Vi er eksperimentelt i stand til at måle med en sådan præcision disse meget sjældne processer. De er en kraftfuld test af standardmodellen og mulige teorier ud over den."

Dunford tilføjer, at grupperne har erhvervet nye data under kørsel 3 på CERN, som begyndte i juli 2022, med 13,6 TeV total energi. Endnu flere data vil komme fra High Luminosity Large Hadron Collider, som vil give omkring fem gange flere proton-proton-kollisioner i sekundet. HL-LHC forventes at komme online i 2028.

"Disse resultater er en forsmag på, hvad vi fortsat vil være i stand til at opnå," sagde Dunford.

Flere oplysninger: G. Aad et al, Evidence for Higgs Boson Decay to a Z Boson and a Photon at LHC, Physical Review Letters (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.021803

Journaloplysninger: Physical Review Letters

© 2024 Science X Network