Om de massa's van elektrozwakke bosonen te verklaren - de W- en Z-bosonen - postuleerden theoretici in de jaren zestig een mechanisme van spontane symmetriebreking. Hoewel dit wiskundig formalisme relatief eenvoudig is, zijn hoeksteen - het Higgs-deeltje - bleef bijna 50 jaar onopgemerkt.

Sinds de ontdekking in 2012 onderzoekers van de ATLAS- en CMS-experimenten bij CERN's Large Hadron Collider (LHC) hebben onvermoeibaar de eigenschappen van het Higgs-deeltje onderzocht. Ze hebben gemeten dat de massa ongeveer 125 GeV is - dat is ongeveer 130 keer de massa van het proton in rust - en ontdekten dat het geen elektrische lading en spin heeft.

Het spiegelbeeld

Onderzoekers wilden de pariteitseigenschappen van het Higgs-deeltje bepalen door het verval te meten tot paren W-bosonen (H → WW*), Z-bosonen (H → ZZ*) en tot fotonen (H → γγ). Door deze metingen ze bevestigden dat het Higgs-deeltje zelfs ladingspariteit (CP) heeft. Dit betekent dat - zoals voorspeld door het standaardmodel - de interacties van het Higgs-deeltje met andere deeltjes niet veranderen wanneer ze in de CP-spiegel "kijken".

Zoals elke vervorming in deze CP-spiegel (of "CP-schending in Higgs-interacties"), zoals CP-oneven mengsel, zou wijzen op de aanwezigheid van nog onontdekte verschijnselen, natuurkundigen van de LHC onderzoeken de sterke punten van higgs-bosonkoppelingen zeer zorgvuldig. Een nieuw resultaat van de ATLAS-samenwerking, vrijgegeven voor de Higgs 2020-conferentie, heeft tot doel het Higgs-beeld te verrijken door zijn WW*-verval te bestuderen.

Een nieuwe ATLAS-studie onderzoekt de CP-aard van de effectieve koppeling tussen het Higgs-deeltje en gluonen (de mediatordeeltjes van de sterke kracht). Tot nu, de door gluonfusie geïnduceerde productie van een Higgs-boson, in combinatie met twee deeltjesstralen, was niet onderzocht in een speciale analyse. De studie van dit productiemechanisme is een uitstekende manier om te zoeken naar tekenen van CP-schending, omdat het de kinematica van het Higgs-boson beïnvloedt, een spoor achterlaten in de azimuthoek tussen de jets gemeten door ATLAS.

Polarisatiefilter

Bij hoge energieën, de zwakke en elektromagnetische krachten versmelten tot een enkele elektrozwakke kracht. Maar bij lage energieën, elektromagnetische golven (zoals licht) kunnen een oneindige afstand afleggen, terwijl zwakke interacties een eindig bereik hebben. Dit komt omdat, in tegenstelling tot fotonen (de dragers van de elektromagnetische kracht), W- en Z-bosonen zijn enorm. Hun massa's komen voort uit interacties met het Higgs-veld.

Een ander verschil is dat elektromagnetische golven transversaal zijn; oscillaties in het elektromagnetische veld komen alleen voor in het vlak loodrecht op zijn voortplanting. W en Z bosonen, anderzijds, hebben zowel longitudinale als transversale polarisaties vanwege hun interacties met het Higgs-veld. Er is een subtiel samenspel tussen deze longitudinale polarisaties en de bosonmassa's die ervoor zorgt dat de voorspellingen van het Standaardmodel eindig blijven.

Als het Higgs-deeltje geen fundamenteel scalair deeltje is, en in plaats daarvan een entiteit die voortkomt uit een nieuwe dynamiek, een ander (meer gecompliceerd) mechanisme zou massa moeten geven aan de W- en Z-bosonen. In zo'n geval, de gemeten Higgs-boson koppelingen met elektrozwakke bosonen kunnen afwijken van de voorspelde standaardmodelwaarden.

De ATLAS-samenwerking heeft haar eerste studie gepubliceerd van individuele polarisatie-afhankelijke Higgs-bosonkoppelingen met massieve elektrozwakke bosonen. specifiek, natuurkundigen onderzochten de productie van Higgs-bosonen door middel van vector-bosonfusie in combinatie met twee jets. Net zoals een polarisatiefilter je helpt om scherpere foto's te maken aan zee door selectief gepolariseerd licht te absorberen, deze nieuwe ATLAS-studie onderzocht individuele Higgs-bosonkoppelingen met longitudinaal en transversaal gepolariseerde elektrozwakke bosonen. Verder, vergelijkbaar met de studie van de Higgs-boson koppeling aan gluonen, de aanwezigheid van een nieuw mechanisme zou een impact hebben op de kinematica van de jets gemeten door ATLAS.

Volg die jets!

De belangrijkste uitdaging van deze analyses is de zeldzaamheid van de Higgs-bosongebeurtenissen die worden bestudeerd. Voor de signaalselecties die in het nieuwe ATLAS-resultaat zijn bestudeerd, slechts ongeveer 60 Higgs-bosonen worden waargenomen via gluonfusie en slechts 30 Higgs-bosonen via vector-bosonfusie. In de tussentijd, achtergrondgebeurtenissen zijn bijna honderd keer overvloediger. Om deze uitdaging aan te gaan, beide analyses telden niet alleen gebeurtenissen, maar keken ook naar de vormen van de azimuthoek (de hoek dwars op de richting van de protonenbundels) tussen de twee jets. De correlatie tussen deze jets heeft geholpen bij het oplossen van eigenschappen van de productie van Higgs-boson.

Onderzoekers gebruikten de techniek van parameter-morphing om de verdeling van deze hoek te interpoleren en te extrapoleren van een kleine set koppelingsbenchmarks naar een grote verscheidenheid aan koppelingsscenario's. De aangepaste verdelingen van de azimuthoek tussen de jets worden getoond in figuren 1 en 2.

Tot dusver, beide distributies vertonen geen teken van nieuwe fysica. Opnieuw worden LHC-gegevens geanalyseerd (deze onderzoeken bevatten alleen gegevens die in 2015 en 2016 zijn verzameld), de gearceerde gebieden in de plots die de onzekerheid van de meting vertegenwoordigen, zouden moeten afnemen. Dit geeft een nog scherper beeld van het Higgs-deeltje.