Op de European Physical Society Conference on High-Energy Physics (EPS-HEP) in Gent, België, de ATLAS-samenwerking bij CERN heeft nieuwe metingen van eigenschappen van Higgs-bosonen vrijgegeven met behulp van de volledige LHC Run 2-dataset. Kritisch, de nieuwe resultaten onderzoeken twee van het verval van het Higgs-deeltje dat leidde tot de ontdekking van het deeltje in 2012:H→ZZ*→4ℓ, waar het Higgs-deeltje vervalt in twee Z-bosonen, op zijn beurt vervallen in vier leptonen (elektronen of muonen); en H→γγ waar het Higgs-deeltje direct vervalt in twee fotonen.

Hoewel zeldzaam, deze kanalen zijn gemakkelijk te herkennen en goed te meten in de ATLAS-detector, waardoor natuurkundigen de eigenschappen van het Higgs-deeltje met grote precisie kunnen bestuderen. Vooral, ze bieden nieuwe metingen van het transversale momentum van het Higgs-deeltje, die kan worden gebruikt om verschillende Higgs-productiemechanismen en mogelijke afwijkingen van de standaardmodelinteracties te onderzoeken.

Op zoek naar goud:nieuw inzicht in het vier-leptonkanaal

Het H→ZZ*→4ℓ verval is het zogenaamde "gouden kanaal" van het Higgs-deeltje, omdat het de duidelijkste en schoonste signatuur heeft van alle mogelijke vervalmodi van het Higgs-boson. Dankzij de verhoogde helderheid van Run 2, ATLAS heeft tussen 2015 en 2018 ongeveer 300 "golden channel"-kandidaatevenementen geregistreerd, waarvan een derde naar verwachting te wijten is aan ZZ-achtergrondprocessen. Het invariante massaspectrum voor geselecteerde vier-lepton-gebeurtenissen voor de volledige Run 2-gegevens is te zien in figuur 1.

Naast het toegenomen aantal verzamelde evenementen, Natuurkundigen van ATLAS hebben hun analyse verbeterd. Terwijl de ZZ-achtergrondsnelheid eerder werd geschat met simulaties, geassocieerd met een theoretische onzekerheid, het nieuwe ATLAS-resultaat gebruikt gegevens om de achtergrondbijdrage direct te beoordelen. Terwijl de totale onzekerheid ongeveer hetzelfde op de achtergrond blijft, dit heeft de theoretische onzekerheid en modelafhankelijkheid van de meting aanzienlijk verminderd.

Het ATLAS-team introduceerde ook Deep Learning Neural Networks om te onderscheiden welke van de Higgs-bosongebeurtenissen afkomstig waren van welke productiemechanismen. Met deze techniek kan het ATLAS-team hun identificatie verbeteren van de vraag of een Higgs-boson is geproduceerd door de gemeenschappelijke fusie van een paar gluonen (ggF - goed voor 87% van het verval van het Higgs-boson), of van de zeldzamere fusie van twee W- of Z-vectorbosonen (VBF-7% van het verval) of de straling van een W- of Z-boson (VH-4%). Eenmaal succesvol geïdentificeerd, de ATLAS-natuurkundigen zouden dan voor elk de productiedwarsdoorsnede kunnen meten.

De VBF- en VH-productiemodi kunnen redelijk goed worden onderscheiden door de scheiding en massa van "stralen" van deeltjes die ze produceren. Voor VBF, de vectorbosonen worden uitgestraald door twee quarks, die energetische stralen vormen in de detector langs de bundelrichting en in tegenovergestelde hemisferen. In de tussentijd, de VH-productiemodus produceert ook twee jets, met ofwel de massa van het W (80 GeV) of Z (91 GeV) boson.

Echter, de gluonen in de ggF-productie kunnen ook extra jets uitstralen, dus het imiteren van VBF- en VH-jetparen. Dit is waar Deep Learning Neural Networks van pas komen. Ze hebben bewezen flexibel genoeg te zijn om tegelijkertijd ggF, VBF en VH met minder overlap dan eerdere machine learning-technieken. De doorsneden van de Higgs-productie zoals gemeten in het vier-leptonkanaal zijn te zien in figuur 2, waar er een verbetering van 20% is op de VBF-doorsnedemeting dankzij de Neural Network-techniek.

Twee lichten om het Higgs te zien:het twee-fotonkanaal bestuderen

Natuurkundigen van ATLAS namen ook nieuwe en verbeterde analysetechnieken op in hun studie van het verval van het Higgs-deeltje tot een paar fotonen (H→γγ). Vooral, de verbeterde fotonidentificatie en jet-energiekalibratie leidden tot verminderde bijbehorende systematische onzekerheden. De criteria voor elektromagnetische douchevorm die worden gebruikt om fotonen te identificeren en ongewenste fotonkandidaten van hadronverval te onderdrukken, zijn nu geoptimaliseerd in subbereiken van het transversale momentum van het foton, aangezien de buien die in de detector worden gegenereerd afhankelijk zijn van de fotonenergie. Dit leidde tot verbeteringen in de gevoeligheid van enkele procenten.

Natuurkundigen hebben verschillende differentiële doorsneden gemeten voor waarneembare objecten die gevoelig zijn voor de productie en het verval van Higgs-bosonen, inclusief kinematische verdelingen van de jets geproduceerd in samenwerking met het Higgs-deeltje. Voorbij-het-standaardmodel-interacties tussen het Higgs-deeltje en de ijkbosonen zullen naar verwachting deze variabelen wijzigen, een uitstekende test voor nieuwe fysica. De inclusieve en differentiële doorsnedemetingen, bepaald uit de opbrengsten van gebeurtenissen in de signaalpiek in de difoton-invariante massaverdeling (zie figuur 3) bleken in goede overeenstemming te zijn met de voorspellingen van het standaardmodel. Natuurkundigen van ATLAS gebruikten deze metingen om de sterkte van hypothetische interacties buiten het standaardmodel van het Higgs-deeltje met de ijkbosonen te beperken.

Bovendien, Natuurkundigen van ATLAS konden de interactie tussen het Higgs-deeltje en de charm-quark onderzoeken. Het Higgs-deeltje is nog niet vergaan om quarks te charmeren, waarvan in het standaardmodel wordt voorspeld dat het een twintig keer lagere snelheid heeft dan verval naar bottom-quarks, voor het eerst waargenomen door ATLAS en CMS in 2018. als de sterkte (of "koppeling") van de Higgs-interactie met de charm-quark veel groter zou zijn dan verwacht vanwege een nieuw natuurkundig proces, dit zou de gemeten momentumverdeling van het Higgs-deeltje beïnvloeden. Natuurkundigen zochten naar de signatuur van dit effect:een overmaat aan data vergeleken met de theoretische verwachting in het lage impulsgebied van het Higgs-boson (zie figuur 4). Een dergelijke overmaat werd niet waargenomen in de gegevens.

Gecombineerd inzicht

De totale doorsnede van de productie van Higgs-bosonen werd gemeten als 56,7 ± 6,3 pb met het H→γγ-vervalkanaal, en 54,4 ± 5,6 pb met het H→ZZ*→4ℓ-kanaal. Door de twee kanalen te combineren, de totale doorsnede is 55,4 ± 4,3 pb, in overeenstemming met de standaardmodelvoorspelling van 55,6 ± 2,5 pb. De differentiële doorsnede voor het transversale momentum van het Higgs-deeltje in beide kanalen komt ook overeen, zoals te zien in figuur 4, en hun combinatie past bij de voorspellingen van het standaardmodel.

Dankzij de uitstekende prestaties van de LHC en van de ATLAS-detector tijdens Run 2, ATLAS-studies van het Higgs-deeltje gaan verder dan ontdekking, naar een nieuw tijdperk van precisiemetingen die ons begrip van dit deeltje vergroten. De reis is net begonnen!