Zou het Higgs-deeltje ons nog kunnen verrassen? Sinds de ontdekking in 2012 de ATLAS- en CMS-samenwerkingen bij CERN hebben actief de eigenschappen bestudeerd van deze nieuwste en meest mysterieuze toevoeging aan het standaardmodel van deeltjesfysica.

In het standaardmodel, het Brout-Englert-Higgs-mechanisme voorspelt dat het Higgs-deeltje zal interageren met materiedeeltjes (quarks en leptonen, bekend als fermionen) met een sterkte die evenredig is met de massa van het deeltje. Het voorspelt ook dat het Higgs-deeltje zal interageren met de krachtdragerdeeltjes (W- en Z-bosonen) met een sterkte die evenredig is met het kwadraat van de massa van het deeltje. Daarom, door het verval en de productiesnelheden van het Higgs-deeltje te meten, die afhankelijk zijn van de interactiesterkte met deze andere deeltjes, Natuurkundigen van ATLAS kunnen een fundamentele test van het standaardmodel uitvoeren.

Vorige week, bij de European Physical Society Conference over High-Energy Physics (EPS-HEP) in Gent, België, de ATLAS-samenwerking vrijgelaten een nieuw voorlopig resultaat op zoek naar Higgs-boson vervalt tot een muon- en antimuonpaar (H → μμ). De nieuwe, gevoeliger resultaat gebruikt de volledige gegevensset van Run 2, analyse van bijna twee keer zoveel Higgs-bosongebeurtenissen als het vorige ATLAS-resultaat (uitgebracht in 2018, voor de ICHEP-conferentie).

Zowel de ATLAS- als de CMS-samenwerking hebben al waargenomen dat het Higgs-deeltje vervalt tot tau-lepton - de zwaardere neef van het muon, behorend tot de derde "generatie" van fermionen. Omdat muonen veel lichter zijn dan tau-leptonen, het verval van het Higgs-deeltje naar een muonpaar zal naar verwachting ongeveer 300 keer minder vaak voorkomen dan dat naar een tau-leptonpaar. Ondanks deze schaarste, het H → μμ-verval biedt de beste mogelijkheid om de Higgs-interactie met fermionen van de tweede generatie op de LHC te meten, nieuwe inzichten verschaffen in de oorsprong van massa voor verschillende fermiongeneraties.

Experimenteel, ATLAS is goed uitgerust om muonparen te identificeren en te reconstrueren. Door metingen van de ATLAS-binnendetector en muonspectrometer te combineren, natuurkundigen kunnen een goede resolutie van het muon-momentum bereiken. Echter, ze moeten ook verklaren waarom muonen worden gecreëerd door een gemeenschappelijke achtergrond:het overvloedige "Drell-Yan-proces", waarbij een muonpaar wordt geproduceerd via de uitwisseling van een virtueel Z-boson of een foton. Om het H → μμ-signaal van deze achtergrond te onderscheiden, ATLAS-teams gebruiken multivariate discriminants (boosted decision trees), die de verschillende productie- en vervaleigenschappen van elke gebeurtenis exploiteren. Bijvoorbeeld, H → μμ signaalgebeurtenissen worden gekenmerkt door een meer centraal muonpaarsysteem en een groter momentum in het vlak dwars op de botsende protonen.

Om de gevoeligheid van de zoekopdracht verder te vergroten, natuurkundigen scheiden de potentiële H → μμ-gebeurtenissen in meerdere categorieën, elk met verschillende verwachte signaal-tot-achtergrondverhoudingen. Ze onderzoeken elke categorie afzonderlijk, het bestuderen van de verdeling van de massa van het muonpaar van de geselecteerde gebeurtenissen. De signaal- en achtergrond-abundanties kunnen dan gelijktijdig worden bepaald door een aanpassing aan het massaspectrum, het benutten van de verschillende vormen van de signaal- en achtergrondprocessen. Figuur 2 toont de resulterende massaverdeling van het muonpaar gecombineerd over alle categorieën.

In het nieuwe ATLAS-resultaat er werd geen significante overmaat aan gebeurtenissen boven de gemeten achtergrond waargenomen in het signaalgebied rond het Higgs-boson met een massa van 125 GeV. De waargenomen significantie van het signaal is 0,8 standaarddeviatie voor 1,5 standaarddeviatie die van het standaardmodel wordt verwacht. Een bovengrens voor de productie van het Higgs-bosonproductie-doorsnede maal de vertakkingsfractie tot muonen werd vastgesteld op 1,7 maal de voorspelling van het standaardmodel met een betrouwbaarheidsniveau van 95%. Dit nieuwe resultaat vertegenwoordigt een verbetering van ongeveer 50% ten opzichte van eerdere ATLAS-resultaten.