Sinds de ontdekking van het Higgsdeeltje in 2012, wetenschappers van de Large Hadron Collider (LHC) hebben de eigenschappen van dit zeer speciale deeltje bestudeerd en zijn relatie tot het fundamentele mechanisme dat essentieel is voor het genereren van massa van elementaire deeltjes. Een eigenschap die nog experimenteel moet worden geverifieerd, is of het Higgs-deeltje aan zichzelf kan koppelen, zelfkoppeling genoemd. Een dergelijke interactie zou bijdragen aan de productie van een paar Higgs-bosonen in de hoogenergetische proton-protonbotsingen van de LHC, een ongelooflijk zeldzaam proces in het standaardmodel - meer dan 1000 keer zeldzamer dan de productie van een enkel Higgs-deeltje! Het meten van een Higgs-deeltje zelfkoppeling die afwijkt van de voorspelde waarde zou belangrijke gevolgen hebben; het universum zou in staat kunnen zijn om over te gaan naar een lagere energietoestand en de wetten die de interacties van materie regelen, zouden een heel andere vorm kunnen aannemen.

Tijdens de lopende Rencontres de Moriond-conferentie, de ATLAS-samenwerking presenteerde het resultaat van een studie die deze vraag verder onderzoekt. Natuurkundigen van ATLAS zochten naar de twee nauw verwante productieprocessen van het Higgs-paar die aanwezig zouden kunnen zijn in LHC-botsingen, hoewel slechts één hiervan verband houdt met de zelfkoppeling van het Higgs-deeltje en gunstig bijdraagt ​​aan de productie van Higgs-paren wanneer hun totale massa laag is. Deze twee processen interfereren kwantummechanisch en onderdrukken de productie van Higgs-bosonparen in het standaardmodel. Als er een nieuw natuurkundig fenomeen in het spel is, het zou de zelfkoppeling van het Higgs-deeltje kunnen veranderen en ATLAS zou meer paren Higgs-bosonen kunnen zien dan verwacht - of in het spraakgebruik van deeltjesfysica, een hogere doorsnede meten.

Voor hun nieuwe studie Natuurkundigen van ATLAS hebben nieuwe analysetechnieken ontwikkeld om te zoeken naar het zeldzame proces waarbij een van de twee Higgs-bosonen vervalt tot twee fotonen en de andere vervalt tot twee bottom-quarks (HH → ɣɣbb). Eerst, ze verdeelden de proton-protonbotsingsgebeurtenissen in lage en hoge massagebieden, om de gevoeligheid voor de zelfkoppeling van het Higgs-deeltje te optimaliseren. Vervolgens, met behulp van een machine learning-algoritme, ze scheidden de gebeurtenissen die lijken op het HH → ɣɣbb-proces van de gebeurtenissen die dat niet doen. Eindelijk, ze bepaalden de doorsnede voor de productie van Higgs-paren en observeerden hoe deze varieert als een functie van de verhouding van de zelfkoppeling van het Higgs-deeltje tot zijn standaardmodelwaarde. Hierdoor kon ATLAS de zelfkoppeling van het Higgs-deeltje beperken, tussen –1,5 en 6,7 keer de voorspelling van het standaardmodel, en ook de doorsnede van de productie van het Higgs-paar. Het resultaat op de zelfkoppeling van het Higgs-deeltje is meer dan twee keer zo krachtig als het vorige ATLAS-resultaat in hetzelfde Higgs-paar-vervalkanaal.

Hoewel dit resultaat 's werelds beste beperkingen stelt aan de grootte van de zelfkoppeling van het Higgs-deeltje, het werk is net begonnen. Dit is een voorproefje van wat komen gaat, zoveel meer gegevens zouden nodig zijn om de zelfkoppeling van het Higgs-deeltje te observeren als het dicht bij de voorspelling van het standaardmodel zou zijn. Het observeren van de zelfkoppeling van het Higgs-deeltje is inderdaad een van de bestaansredenen van het High-Luminosity LHC (HL-LHC) -programma, een upgrade naar de LHC die eind 2020 van start gaat. De HL-LHC zal naar verwachting een dataset leveren die meer dan 20 keer groter is dan de dataset die in deze analyse is gebruikt en bij hogere botsingsenergie werken. Als de productie van het Higgs-paar is zoals voorspeld door het standaardmodel, het moet worden waargenomen in deze enorme dataset, en een meer kwantitatieve uitspraak zal worden gedaan op basis van de koppeling van het Higgs-deeltje aan zichzelf.