De ATLAS- en CMS-samenwerkingsverbanden presenteerden hun nieuwste resultaten over nieuwe handtekeningen voor het detecteren van het Higgs-deeltje bij CERN's Large Hadron Collider. Deze omvatten zoektochten naar zeldzame transformaties van het Higgs-deeltje in een Z-deeltje - dat een drager is van een van de fundamentele natuurkrachten - en een tweede deeltje. Het observeren en bestuderen van transformaties waarvan wordt voorspeld dat ze zeldzaam zijn, helpt ons inzicht in de deeltjesfysica te vergroten en kan ook de weg wijzen naar nieuwe fysica als waarnemingen afwijken van de voorspellingen. De resultaten omvatten ook zoekopdrachten naar tekenen van Higgs-transformaties in "onzichtbare" deeltjes, die licht zouden kunnen werpen op potentiële donkere materiedeeltjes. De analyses hadden betrekking op bijna 140 inverse femtobarns aan gegevens, of ongeveer 10 miljoen miljard proton-protonbotsingen, opgenomen tussen 2015 en 2018.

De ATLAS- en CMS-detectoren kunnen een Higgs-deeltje nooit direct zien:een kortstondig deeltje, het transformeert (of "vervalt") in lichtere deeltjes bijna onmiddellijk nadat het is geproduceerd in proton-protonbotsingen, en de lichtere deeltjes laten veelbetekenende handtekeningen achter in de detectoren. Echter, soortgelijke handtekeningen kunnen worden geproduceerd door andere standaardmodelprocessen. Wetenschappers moeten daarom eerst de individuele stukken identificeren die overeenkomen met deze handtekening en vervolgens voldoende statistisch bewijs verzamelen om te bevestigen dat de botsingen inderdaad Higgs-bosonen hebben geproduceerd.

Toen het in 2012 werd ontdekt, het Higgs-deeltje werd voornamelijk waargenomen in transformaties in paren van Z-bosonen en paren van fotonen. Deze zogenaamde "vervalkanalen" hebben relatief schone handtekeningen waardoor ze gemakkelijker te detecteren zijn, en ze zijn waargenomen bij de LHC. Andere transformaties zullen naar verwachting slechts zeer zelden voorkomen, of om een ​​minder duidelijke handtekening te hebben, en zijn daarom uitdagend om te spotten.

Bij LHCP, ATLAS presenteerde de laatste resultaten van hun zoekopdrachten naar een dergelijk zeldzaam proces, waarin een Higgs-deeltje verandert in een Z-deeltje en een foton (γ). De aldus geproduceerde Z, zelf instabiel, transformeert in paren leptonen, ofwel elektronen of muonen, een handtekening van twee leptonen en een foton achterlatend in de detector. Gezien de lage waarschijnlijkheid van het waarnemen van een Higgs-transformatie naar Z _γ met het geanalyseerde datavolume, ATLAS kon de mogelijkheid uitsluiten dat meer dan 0,55% van de in de LHC geproduceerde Higgs-bosonen zou transformeren in Z _γ . "Met deze analyse " zegt Karl Jakobs, woordvoerder van de ATLAS-samenwerking, "we kunnen aantonen dat onze experimentele gevoeligheid voor deze handtekening nu dicht bij de voorspelling van het standaardmodel komt." De geëxtraheerde beste waarde voor de H→Zγ-signaalsterkte, gedefinieerd als de verhouding van de waargenomen tot de voorspelde signaalopbrengst van het standaardmodel, blijkt 2.0 . te zijn ^+1.0 _−0.9 .

CMS presenteerde de resultaten van de eerste zoektocht naar Higgs-transformaties waarbij ook een Z-boson betrokken was, maar vergezeld van een ρ (rho) of φ (phi) meson. Het Z-boson verandert opnieuw in paren leptonen, terwijl het tweede deeltje transformeert in paren pionen (ππ) in het geval van de en in paren kaonen (KK) in het geval van de . "Deze transformaties zijn uiterst zeldzaam, " zegt Roberto Carlin, woordvoerder van de CMS-samenwerking, "en zullen naar verwachting niet worden waargenomen bij de LHC tenzij natuurkunde van buiten het standaardmodel erbij betrokken is." Dankzij de geanalyseerde gegevens kon CMS uitsluiten dat meer dan ongeveer 1,9% van de Higgs-bosonen zou kunnen transformeren in Zρ en meer dan 0,6% zou kunnen transformeren in Zφ. Hoewel deze limieten veel groter zijn dan de voorspellingen van het standaardmodel, ze demonstreren het vermogen van de detectoren om door te dringen in de zoektocht naar fysica die verder gaat dan het standaardmodel.

De zogenaamde "donkere sector" omvat hypothetische deeltjes die donkere materie zouden kunnen vormen, het mysterieuze element dat verantwoordelijk is voor meer dan vijf keer de massa van gewone materie in het universum. Wetenschappers geloven dat het Higgs-deeltje aanwijzingen kan bevatten over de aard van donkere materiedeeltjes, zoals sommige uitbreidingen van het standaardmodel suggereren dat een Higgs-deeltje zou kunnen transformeren in donkere-materiedeeltjes. Deze deeltjes zouden geen interactie hebben met de ATLAS- en CMS-detectoren, wat betekent dat ze voor hen "onzichtbaar" blijven. Hierdoor zouden ze kunnen ontsnappen aan directe detectie en zich manifesteren als "ontbrekende energie" bij de botsing. Bij LHCP, ATLAS presenteerde hun laatste bovengrens - van 13% - voor de waarschijnlijkheid dat een Higgs-deeltje zou kunnen transformeren in onzichtbare deeltjes die bekend staan ​​als zwak interagerende massieve deeltjes, of WIMP's, terwijl CMS resultaten presenteerde van een nieuwe zoektocht naar Higgs-transformaties naar vier leptonen via ten minste één tussenliggend "donker foton", ook grenzen aan de waarschijnlijkheid dat een dergelijke transformatie bij de LHC optreedt.

Het Higgs-deeltje blijft van onschatbare waarde blijken bij het helpen van wetenschappers bij het testen van het standaardmodel van de deeltjesfysica en het zoeken naar fysica die daarbuiten kan liggen. Dit zijn slechts enkele van de vele resultaten met betrekking tot het Higgs-deeltje die op LHCP werden gepresenteerd.

Technische notitie

Wanneer de datavolumes niet hoog genoeg zijn om een ​​definitieve waarneming van een bepaald proces te claimen, natuurkundigen kunnen voorspellen welke limieten zij verwachten te stellen aan het proces. In het geval van Higgs-transformaties, deze limieten zijn gebaseerd op het product van twee termen:de snelheid waarmee een Higgs-deeltje wordt geproduceerd bij proton-protonbotsingen (productiedwarsdoorsnede) en de snelheid waarmee het een bepaalde transformatie naar lichtere deeltjes ondergaat (vertakkingsfractie).

ATLAS verwachtte een bovengrens te stellen van 1,7 keer de standaardmodelverwachting voor het proces met Higgs-transformaties naar een Z-boson en een foton (H→Zγ) als een dergelijke transformatie niet aanwezig was; de samenwerking heeft een bovengrens kunnen stellen van 3,6 keer deze waarde, de gevoeligheid voor de voorspellingen van het standaardmodel benadert. De CMS-zoekopdrachten waren voor een veel zeldzamer proces, voorspeld door het standaardmodel dat het slechts één keer op de miljoen Higgs-transformaties voorkomt, en de samenwerking was in staat om bovengrenzen te stellen van ongeveer 1000 keer de standaardmodelverwachtingen voor de H→Zρ- en H→Zφ-processen.