De ontdekking van het Higgs-deeltje in 2012 was nog maar het begin. Natuurkundigen begonnen onmiddellijk de eigenschappen ervan te meten, een onderzoek dat nog steeds aan de gang is terwijl ze proberen te ontrafelen of het Higgs-mechanisme in de natuur wordt gerealiseerd, zoals voorspeld door het standaardmodel van de deeltjesfysica. Eerder dit voorjaar onderzoekers van CERN's ATLAS-experiment kondigden aan dat ze het Higgs-deeltje hadden gemeten in zijn verval tot W-bosonen. W-bosonen zijn in deze context bijzonder interessant, omdat de eigenschappen van hun zelfinteractie (vectorbosonverstrooiing) geloofwaardigheid gaven aan het mechanisme dat het Higgs-deeltje voorspelde.

De Higgs-bosonen geproduceerd bij de Large Hadron Collider (LHC) leven een zeer korte levensduur van slechts 10 ^-22 seconden voordat ze vergaan. Ze onthullen hun eigenschappen twee keer aan de buitenwereld:tijdens hun productie en hun verval. Het nieuwe resultaat van ATLAS bestudeerde het Higgs-deeltje op beide momenten, kijkend naar de productie ervan via twee verschillende methoden en het daaropvolgende verval in twee W-bosonen (H➝WW*). Aangezien een op de vijf Higgs-bosonen vervalt in W-bosonen, het is het ideale kanaal om de koppeling aan vectorbosonen te bestuderen. Onderzoekers richtten zich ook op de meest voorkomende manieren om het beroemde deeltje te produceren, via gluonfusie (ggF) en vector-bosonfusie (VBF).

De Avocado-meting

Natuurkundigen van ATLAS hebben gekwantificeerd hoe vaak het Higgs-deeltje interageert met W-bosonen. Na het vergelijken van hun meting en simulatie in een histogram om aan te tonen dat ze de gegevens nauwkeurig konden modelleren (zie figuur 3), de onderzoekers voerden een statistische analyse uit van de dwarsdoorsnede van de processen. Het resultaat wordt weergegeven in figuur 2, waarbij de ggF- en VBF-productiemodi afzonderlijk op de twee assen worden weergegeven. Het ATLAS-resultaat wordt aangegeven met een ster, en is omgeven door bruine en groene banden die de onzekerheden vertegenwoordigen. Als de analyse vele malen zou worden herhaald op verschillende gegevens, 68 of 95% van deze herhalingen moeten binnen de bijgevoegde banden vallen.

Deze liefdevol gedoopte 'Avocado-plot' illustreert niet alleen de experimentele resultaten, maar ook de voorspelling door het Standaardmodel (weergegeven met een rood kruis). Dit geeft aan dat het meetresultaat goed overeenkomt met de theoretische voorspelling. Als een grotere afwijking tussen experiment en theorie werd gezien, het zou kunnen duiden op momenteel onbekende verschijnselen. Ook al is het standaardmodel goed ingeburgerd, het is bekend dat het onvolledig is, wat motiveert om naar dergelijke discrepanties te zoeken.

De nieuwe speler

Natuurkundigen hebben pas onlangs kunnen bevestigen dat de VBF-productiemodus ook bijdraagt ​​aan het H➝WW*-proces. Nutsvoorzieningen, analysatoren hebben hun resultaat aanzienlijk verbeterd door gebruik te maken van een neuraal netwerk - dezelfde techniek waarmee computers mensen op afbeeldingen kunnen identificeren. Met behulp van dit neurale netwerk, ze waren in staat om de scheiding van VBF-gebeurtenissen van de meer frequente ggF-gebeurtenissen en van andere achtergrondbijdragen drastisch te verbeteren.

Van de enkele tientallen gebeurtenissen waarvan de eigenschappen zeer compatibel zijn met de VBF-productie van het Higgs-deeltje, de onderzoekers selecteerden er een om te laten zien hoe deze gebeurtenissen eruitzien in de detector (zie gebeurtenisweergave). De VBF-productiemodus valt op door de twee goed gescheiden stralen van hadronen die de voorste gebieden van de ATLAS-detector bereiken. Ze deinzen terug tegen de vervaldeeltjes van de W-bosonen:het elektron en het muon.

Wat staat er op de lange termijn in het verschiet?

Vanuit een experimenteel oogpunt, het is logisch om het Higgs-deeltje te analyseren op basis van hoe het vervalt in de detector, nauwkeurig in kaart brengen van de kenmerken van het verval. Maar om de eigenschappen van de productiemodus te meten, verschillende op verval gerichte analyses moeten worden gecombineerd. Om dit proces te stroomlijnen, natuurkundigen gebruiken vereenvoudigde sjabloondoorsneden (STXS). Dit categoriseert deeltjesbotsingen op basis van eigenschappen die verband houden met de productiemodus, waardoor natuurkundigen alle gebeurtenissnelheden afzonderlijk kunnen meten. Omdat de indeling tussen analyses en zelfs tussen experimenten gestandaardiseerd is, latere combinaties worden vergemakkelijkt.

Ondanks de opmerkelijke verbeteringen van dit nieuwe resultaat, de ware kracht van de STXS-aanpak zal duidelijk worden in combinatie met andere analyses. ATLAS produceerde vorig jaar een STXS-combinatie, en de volgende iteratie zal profiteren van de kracht van deze nieuwe H➝WW*-meting.