Het Higgs-deeltje werd in 2012 van de ene op de andere dag beroemd toen het eindelijk werd ontdekt in een wirwar van andere deeltjes die werden gegenereerd bij CERN's Large Hadron Collider (LHC) in Genève, Zwitserland. De ontdekking was monumentaal omdat het Higgs-deeltje, waarover eerder alleen werd getheoretiseerd, heeft de bijzondere eigenschap om andere elementaire deeltjes massa te geven. Het is ook buitengewoon zeldzaam en moeilijk te identificeren in het puin van botsende deeltjes.

Natuurkundigen van Caltech speelden een belangrijke rol bij de ontdekking van het Higgs-deeltje, een resultaat dat theoretisch natuurkundige Peter Higgs een deel van de Nobelprijs voor de natuurkunde 2013 opleverde, en nu blijven ze belangrijke bevindingen doen over zeldzame Higgs-bosonprocessen.

Deze zomer, Voor de eerste keer, deeltjesfysici die gegevens gebruiken die zijn verzameld door het experiment dat bekend staat als de Compact Muon Solenoid (CMS) bij de LHC, hebben bewijs gevonden dat het Higgs-deeltje vervalt in een paar elementaire deeltjes die muonen worden genoemd. Het muon is een zwaardere versie van het elektron, en zowel muonen als elektronen behoren tot een klasse van deeltjes die bekend staat als fermionen, zoals beschreven in het algemeen aanvaarde model van deeltjes dat het standaardmodel wordt genoemd. Het standaardmodel classificeert alle deeltjes als fermionen of bosonen. Over het algemeen, fermionen zijn bouwstenen van alle materie, en bosonen zijn de krachtdragers.

Een muon is ook wat bekend staat als een deeltje van de tweede generatie. Fermiondeeltjes van de eerste generatie, zoals elektronen, zijn de lichtste van alle deeltjes; deeltjes van de tweede en derde generatie kunnen vervallen tot deeltjes van de eerste generatie. De nieuwe bevinding vertegenwoordigt het eerste bewijs dat het Higgs-deeltje interageert met fermionen van de tweede generatie.

In aanvulling, dit resultaat levert verder bewijs dat de vervalsnelheid van de paren van Higgs tot fermion evenredig is met het kwadraat van de massa van het fermion. Dit is een belangrijke voorspelling van de Higgs-theorie. Met meer gegevens, de LHC-experimenten zullen naar verwachting bevestigen dat het Higgs inderdaad de fundamentele deeltjes hun massa geeft.

"Het belang van deze meting is dat we zeldzame processen onderzoeken waarbij het Higgs-deeltje betrokken is, en we bevinden ons in het nauwkeurige Higgs-fysisch onderzoeksregime waar elke afwijking van de voorspellingen van het standaardmodel ons kan wijzen op nieuwe natuurkunde, " zegt Maria Spiropulu, de Shang-Yi Ch'en hoogleraar natuurkunde aan Caltech.

Wetenschappers analyseren gegevens van een ander instrument bij de LHC, bekend als ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS), vond ook bevestigend bewijs voor het verval van het Higgs-deeltje in muonen. De resultaten van beide experimenten werden gepresenteerd op de 40e International Conference on High Energy Physics in augustus 2020.

"We hebben meer gegevens en slimme analysemethoden nodig om onze resultaten te bevestigen, maar dit is de eerste keer dat we bewijs zien dat het Higgs-deeltje vervalt in twee muonen, " zegt Irene Dutta (MS '20), een Caltech CMS-teamlid en afgestudeerde student in het laboratorium van Spiropulu. "Dit resultaat valideert experimenteel dat de voorspellingen van het standaardmodel van de deeltjesfysica perfect zijn. Zelfs een kleine afwijking van ons model zou ons vertellen dat er iets anders aan de hand is, maar tot nu toe blijft het standaardmodel stevig, ' zegt Dutta.

De bevinding zal uiteindelijk wetenschappers helpen beter te begrijpen hoe het Higgs-deeltje massa aan de fermionen schenkt. Het Higgs-deeltje kan worden gezien als het schudden of prikkelen van het Higgs-veld. Het Higgs-veld werkt als een dikke siroop en als deeltjes er doorheen bewegen, ze verwerven massa; hoe langzamer de deeltjes door het veld bewegen, hoe zwaarder ze zijn (zie video voor een metaforische illustratie van het concept).

"We willen de oorsprong van massa in ons universum begrijpen, " zegt Caltech CMS-teamlid Nan Lu, een postdoctoraal onderzoeker in het laboratorium van Spiropulu. "Het Higgs-deeltje is een experimenteel hulpmiddel om dit mechanisme te begrijpen, en zou een handvat kunnen zijn voor het ontdekken van nieuwe fysica. We kunnen het Higgs-deeltje of andere elementaire deeltjes niet systematisch observeren. behalve in hun manifestatie in hoogenergetische deeltjesbotsingen, maar het zijn de fundamentele bouwstenen van ons universum, " zegt Lu.

Het Caltech-team droeg bij aan de nieuwe bevinding door te zoeken naar Higgs-bosonen die zijn geproduceerd door een bepaald mechanisme waarbij tegelijkertijd twee deeltjes, quarks genaamd, worden gegenereerd (quarks zijn een ander type fermion). Dit proces is van bijzonder belang omdat de twee quarks verschillende handtekeningen bieden om de Higgs-bosonen te helpen identificeren. Lu ontwikkelde de methode om de gevoeligheid van de CMS-zoekopdracht voor verschillende massa's van het Higgs-deeltje te onderzoeken, waardoor het vertrouwen van de bevindingen wordt verbeterd. Dutta werkte aan het demonstreren van de kracht van een geavanceerde tool voor kunstmatige intelligentie (AI), bekend als een diep neuraal netwerk, voor het analyseren van de LHC-gegevens.

Zowel Dutta als Lu hielpen bij het afleiden van de uiteindelijke gevoeligheidsresultaten. Voormalig Caltech postdoctoraal wetenschapper Joosep Pata, die nu op de faculteit van het National Institute of Chemical Physics and Biophysics in Estland zit, ontwikkelde nieuwe methoden voor het versnellen van de complexe computationele analyse die in het project wordt gebruikt.

"Het onderzoeken van de eigenschappen van het Higgs-deeltje komt neer op het zoeken naar nieuwe fysica waarvan we weten dat die er moet zijn", zei Spiropulu. "Ik ben vooral trots op het werk van Nan, Irene, Joep, en de hele Caltech CMS-groep, wiens talent, diversiteit, en resultaten schitteren in het landschap van een grootse internationale samenwerking."