Sinds de ontdekking van het Higgs-deeltje in 2012 wetenschappers in de ATLAS- en CMS-samenwerkingen bij de Large Hadron Collider (LHC) hebben hard gewerkt om de eigenschappen ervan te karakteriseren en de verschillende manieren op te sporen waarop dit kortstondige deeltje kan vervallen. Van het overvloedige maar experimenteel uitdagende verval tot b-quarks, tot het buitengewoon zeldzame maar lage achtergrondverval in vier leptonen, elk biedt een andere mogelijkheid om de eigenschappen van dit nieuwe deeltje te bestuderen. Nutsvoorzieningen, ATLAS heeft het eerste bewijs gevonden dat het Higgs-deeltje vervalt tot twee leptonen (een elektron of een muonpaar met tegengestelde lading) en een foton. Bekend als "Dalitz verval, "Dit is een van de zeldzaamste vervalsingen van het Higgs-boson tot nu toe bij de LHC.

Voor deze analyse is Natuurkundigen van ATLAS richtten zich op een verval van het Higgs-boson, gemedieerd door een virtueel foton. In tegenstelling tot de bekende stal, massaloos foton, dit virtuele deeltje heeft typisch een zeer kleine (maar niet-nul) massa en vervalt onmiddellijk tot twee leptonen.

Natuurkundigen van ATLAS doorzochten de volledige LHC Run 2-gegevensset op botsingen met een foton en twee leptonen waarvan de gecombineerde massa minder dan 30 GeV was. In deze regio, verval met virtuele fotonen zou moeten domineren over andere processen die dezelfde eindtoestand opleveren. ATLAS heeft een signaalsnelheid van het Higgs-boson in dit vervalkanaal gemeten die 1,5 ± 0,5 keer de verwachting van het standaardmodel is. De kans dat het waargenomen signaal werd veroorzaakt door een fluctuatie in de achtergrond is 3,2 sigma - minder dan 1 op 1000.

Met enorme hoeveelheden gegevens die worden verwacht van het komende High-Luminosity LHC-programma, het bestuderen van zeldzaam verval van het Higgs-boson wordt de nieuwe norm. Dit zal natuurkundigen in staat stellen verder te gaan met het rapporteren van bewijs voor hun bestaan, om hun observatie te bevestigen en gedetailleerde studies uit te voeren van de eigenschappen van het Higgs-boson, wat leidde tot steeds strengere tests van het standaardmodel.

Door het verval van het Higgs-deeltje tot een foton en een lepton-paar te observeren, kunnen natuurkundigen de symmetrie van de ladingspariteit (CP) bestuderen. CP-symmetrie is een manier om te zeggen dat het spiegelbeeld van op elkaar inwerkende deeltjes, waar deeltjes worden vervangen door hun antideeltjes, moet er precies hetzelfde uitzien als de originele interactie. Dit was een natuurlijke veronderstelling tot 1964, toen natuurkundigen die kaondeeltjes bestudeerden, tot hun grote verbazing opmerkten dat dit niet het geval is in de wereld van de deeltjesfysica. Vanaf dat moment, natuurkundigen hebben geleerd dat schending van CP-symmetrie een kenmerk is van de elektrozwakke interactie en hebben deze in het standaardmodel opgenomen.

Maar nu het Higgs-deeltje in drie deeltjes uiteenvalt, waarvan er twee in rekening worden gebracht, natuurkundigen zullen kunnen onderzoeken of verval een voorkeursrichting heeft - waardoor onderzoekers hun begrip van de oorsprong van CP-symmetrieschending kunnen verbeteren en misschien zelfs kunnen leiden tot hints voor nieuwe fysica buiten het standaardmodel.