Op de 40e ICHEP-conferentie, de ATLAS- en CMS-experimenten hebben nieuwe resultaten aangekondigd die aantonen dat het Higgs-deeltje vervalt in twee muonen. Het muon is een zwaardere kopie van het elektron, een van de elementaire deeltjes die de materie-inhoud van het heelal vormen. Terwijl elektronen worden geclassificeerd als een deeltje van de eerste generatie, muonen behoren tot de tweede generatie. Het natuurkundige proces van het verval van het Higgs-deeltje tot muonen is een zeldzaam fenomeen, aangezien slechts ongeveer één op de 5000 Higgs-deeltjes in muonen vervalt. Deze nieuwe resultaten zijn van cruciaal belang voor de fundamentele fysica omdat ze voor het eerst aangeven dat het Higgs-deeltje interageert met elementaire deeltjes van de tweede generatie.

Natuurkundigen van CERN bestuderen het Higgs-deeltje sinds de ontdekking in 2012 om de eigenschappen van dit zeer speciale deeltje te onderzoeken. Het Higgs-deeltje, geproduceerd door protonbotsingen bij de Large Hadron Collider, desintegreert - ook wel verval genoemd - bijna onmiddellijk in andere deeltjes. Een van de belangrijkste methoden om de eigenschappen van het Higgs-deeltje te bestuderen, is door te analyseren hoe het vervalt tot de verschillende fundamentele deeltjes en hoe snel het uiteenvalt.

CMS bereikte het bewijs van dit verval met 3 sigma, wat betekent dat de kans dat het Higgs-deeltje door statistische fluctuatie tot een muonpaar vervalt, minder is dan één op 700. Het resultaat van twee sigma's van ATLAS betekent dat de kans één op 40 is. De combinatie van beide resultaten zou de significantie ruim boven de 3 verhogen. sigma en levert sterk bewijs voor het verval van het Higgs-deeltje tot twee muonen.

"CMS is er trots op deze gevoeligheid voor het verval van Higgs-bosonen tot muonen te hebben bereikt, en om het eerste experimentele bewijs voor dit proces te tonen. Het Higgs-deeltje lijkt ook te interageren met deeltjes van de tweede generatie, in overeenstemming met de voorspelling van het standaardmodel, een resultaat dat verder zal worden verfijnd met de gegevens die we in de volgende run verwachten te verzamelen, " zei Roberto Carlin, woordvoerder van het CMS-experiment.

Het Higgs-deeltje is de kwantummanifestatie van het Higgs-veld, die massa geeft aan elementaire deeltjes waarmee het interageert, via het Brout-Englert-Higgs-mechanisme. Door de snelheid te meten waarmee het Higgs-deeltje in verschillende deeltjes vervalt, natuurkundigen kunnen de sterkte van hun interactie met het Higgs-veld afleiden:hoe hoger de vervalsnelheid in een bepaald deeltje, hoe sterker de interactie met het veld. Tot dusver, de ATLAS- en CMS-experimenten hebben waargenomen dat het Higgs-deeltje vervalt in verschillende soorten bosonen zoals W en Z, en zwaardere fermionen zoals tau-leptonen. De interactie met de zwaarste quarks, de boven- en onderkant, werd gemeten in 2018. Muonen zijn veel lichter in vergelijking en hun interactie met het Higgs-veld is zwakker. Interacties tussen het Higgs-deeltje en muonen hadden, daarom, niet eerder gezien bij de LHC.

"Dit bewijs van verval van het Higgs-deeltje tot materiedeeltjes van de tweede generatie vormt een aanvulling op een zeer succesvol Run 2 Higgs-fysicaprogramma. De metingen van de eigenschappen van het Higgs-deeltje hebben een nieuw stadium bereikt in precisie en zeldzame vervalmodi kunnen worden aangepakt. Deze prestaties zijn afhankelijk van de grote LHC-dataset, de uitstekende efficiëntie en prestaties van de ATLAS-detector en het gebruik van nieuwe analysetechnieken, " zei Karl Jakobs, ATLAS-woordvoerder.

Wat deze studies nog uitdagender maakt, is dat, bij de LHC, voor elk voorspeld Higgs-deeltje dat vervalt tot twee muonen, er zijn duizenden muonparen geproduceerd door andere processen die de verwachte experimentele signatuur nabootsen. De karakteristieke signatuur van het verval van het Higgs-deeltje tot muonen is een kleine overmaat aan gebeurtenissen die clusteren nabij een muonpaarmassa van 125 GeV, dat is de massa van het Higgs-deeltje. Het isoleren van het Higgs-deeltje tot interacties tussen muonen is geen sinecure. Om dit te doen, beide experimenten meten de energie, momentum en hoeken van muon-kandidaten uit het verval van het Higgs-deeltje. In aanvulling, de gevoeligheid van de analyses werd verbeterd door methoden zoals geavanceerde strategieën voor achtergrondmodellering en andere geavanceerde technieken zoals algoritmen voor machine learning. CMS combineerde vier afzonderlijke analyses, elk geoptimaliseerd om natuurkundige gebeurtenissen te categoriseren met mogelijke signalen van een specifieke productiemodus van het Higgs-boson. ATLAS verdeelde hun evenementen in 20 categorieën die gericht waren op specifieke productiemodi van het Higgs-boson.

De resultaten, die tot nu toe consistent zijn met de voorspellingen van het standaardmodel, gebruikte de volledige dataset verzameld tijdens de tweede run van de LHC. Met meer gegevens die moeten worden vastgelegd van de volgende run van de deeltjesversneller en met de High-Luminosity LHC, de ATLAS- en CMS-samenwerkingen verwachten de gevoeligheid (5 sigma) te bereiken die nodig is om de ontdekking van het verval van het Higgs-deeltje tot twee muonen vast te stellen en mogelijke theorieën over fysica buiten het standaardmodel te beperken die deze vervalmodus van het Higgs-deeltje zouden beïnvloeden.