Twee jaar geleden, het Higgs-deeltje werd waargenomen te vervallen tot een paar beauty-quarks (H→bb), het verplaatsen van zijn studie van het 'ontdekkingstijdperk' naar het 'meettijdperk'. Door de eigenschappen van het Higgs-deeltje te meten en te vergelijken met theoretische voorspellingen, natuurkundigen kunnen dit unieke deeltje beter begrijpen, en in het proces, zoeken naar afwijkingen van voorspellingen die zouden wijzen op nieuwe natuurkundige processen die verder gaan dan ons huidige begrip van deeltjesfysica.

Een dergelijke afwijking zou de snelheid kunnen zijn waarmee Higgs-bosonen onder bepaalde omstandigheden worden geproduceerd. Hoe groter de transversale impuls van het Higgs-deeltje, dat wil zeggen, het momentum van het Higgs-deeltje loodrecht op de richting van de Large Hadron Collider (LHC) protonenbundels - hoe groter we geloven dat de gevoeligheid voor nieuwe natuurkundige processen van zware, nog onzichtbare deeltjes.

H→bb is het ideale zoekkanaal om dergelijke afwijkingen in de productiesnelheid op te sporen. Als het meest waarschijnlijke verval van het Higgs-boson (goed voor ~ 58% van alle vervalsing van het Higgs-boson), zijn grotere overvloed stelt natuurkundigen in staat om verder te onderzoeken in de regio's met een hoog transversaal momentum, waar de productiesnelheid afneemt als gevolg van de composietstructuur van de botsende protonen.

In nieuwe resultaten die deze maand zijn vrijgegeven, de ATLAS-samenwerking bij CERN heeft de volledige LHC Run 2-dataset bestudeerd om een ​​bijgewerkte meting van H→bb te geven, waarbij het Higgs-deeltje wordt geproduceerd in combinatie met een vectorboson (W of Z). Onder een aantal nieuwe resultaten, ATLAS rapporteert de waarneming van Higgs-bosonproductie in combinatie met een Z-boson met een significantie van 5,3 standaarddeviaties (σ), en bewijs van productie met een W-boson met een significantie van 4,0 σ.

De nieuwe analyse gebruikt ~75% meer gegevens dan de vorige editie. Verder, Natuurkundigen van ATLAS hebben verschillende verbeteringen doorgevoerd, waaronder:

• Better Boosted Decision Tree (BDT) machine learning-algoritmen die worden gebruikt om botsingen met een Higgs-boson te scheiden van botsingen die alleen achtergrondprocessen bevatten. Figuur 2 toont de scheiding die tussen deze processen is bereikt door een van de BDT's.
• Bijgewerkte selecties die worden gebruikt om interessante botsingen te identificeren, verrijkt in de verschillende achtergrondprocessen. Deze 'controlegebieden' stelden de natuurkundigen in staat om de achtergrondprocessen beter te begrijpen en er grip op te krijgen.
• Verhoogd aantal gesimuleerde botsingen. Hoewel cruciaal voor het voorspellen van achtergronden in een meting, het simuleren van botsingen door de ATLAS-detector is een rekenintensief proces. In deze nieuwe analyse teams in ATLAS hebben zich sterk ingespannen om het aantal gesimuleerde botsingen met een factor vier te verhogen in vergelijking met de vorige analyse.

Dankzij deze verbeteringen konden ATLAS-fysici nauwkeuriger metingen doen van de productiesnelheid van het Higgs-boson bij verschillende transversale momenten, en om hun bereik uit te breiden naar hogere waarden.

Natuurkundigen van ATLAS kondigden ook een uitbreiding aan van de H→bb-studie:een nieuwe versie van de analyse die is ontworpen om het Higgs-deeltje te onderzoeken wanneer het wordt geproduceerd met zeer grote transversale impulsen. Normaal gesproken, de twee b-quarks van het H→bb-verval manifesteren zich in de ATLAS-detector als twee afzonderlijke sprays van sterk gecollimeerde en energetische deeltjes, "jets" genoemd. Echter, wanneer het Higgs-deeltje wordt geproduceerd met een zeer groot transversaal momentum, groter dan tweemaal de Higgs-bosonmassa van 125 GeV, het H→bb-systeem wordt "versterkt". De twee b-quarks worden dan meestal dicht bij elkaar geproduceerd, samensmelten tot één straal, zoals weergegeven in de gebeurtenisweergave hierboven. De nieuwe analyse gebruikte verschillende b-jet-reconstructie-algoritmen die waren afgestemd op dit versterkte regime. Ze stelden natuurkundigen in staat om versterkt H→bb-verval te identificeren, reconstrueer de massa van het Higgs-deeltje, en een overschot op de achtergrondprocessen identificeren, zoals weergegeven in figuur 3.

De nieuwe techniek stelde ATLAS in staat om de bijzonder interessante Higgs-boson-faseruimte van grote transversale momentumgebeurtenissen met verbeterde efficiëntie te verkennen. Het stelde natuurkundigen verder in staat te kijken naar Higgs-bosonen die zijn geproduceerd met nog grotere transversale momentumwaarden - een belangrijke vooruitgang in de zoektocht naar nieuwe fysica.

Deze analyses zijn essentiële stappen in een lange reis naar het meten van de eigenschappen van het Higgs-deeltje. Naarmate natuurkundigen hun algoritmen verder verbeteren, hun begrip van achtergrondprocessen te verbeteren en meer gegevens te verzamelen, ze wagen zich steeds verder op onbekend terrein waar nieuwe fysica kan wachten.