Vandaag, precies tien jaar na de aankondiging van de ontdekking van het Higgs-deeltje, rapporteren de internationale ATLAS- en CMS-samenwerkingsverbanden bij de Large Hadron Collider (LHC) de resultaten van hun meest uitgebreide studies tot nu toe van de eigenschappen van dit unieke deeltje. De onafhankelijke onderzoeken, beschreven in twee artikelen die vandaag in Nature . zijn gepubliceerd , laten zien dat de eigenschappen van het deeltje opmerkelijk consistent zijn met die van het Higgs-deeltje, voorspeld door het standaardmodel van de deeltjesfysica. De studies tonen ook aan dat het deeltje steeds meer een krachtig middel wordt om te zoeken naar nieuwe, onbekende fenomenen die - indien gevonden - kunnen helpen licht te werpen op enkele van de grootste mysteries van de natuurkunde, zoals de aard van de mysterieuze donkere materie die aanwezig is in de universum.

Het Higgs-deeltje is de deeltjesmanifestatie van een allesdoordringend kwantumveld, bekend als het Higgs-veld, dat van fundamenteel belang is om het universum zoals wij het kennen te beschrijven. Zonder dit veld zouden elementaire deeltjes zoals de quark-bestanddelen van de protonen en neutronen van atoomkernen, evenals de elektronen die de kernen omringen, geen massa hebben, en evenmin zouden de zware deeltjes (W-bosonen) die de geladen zwakke kracht, die de kernreactie in gang zet die de zon aandrijft.

Om het volledige potentieel van de LHC-gegevens voor de studie van het Higgs-deeltje te onderzoeken, inclusief de interacties met andere deeltjes, combineren ATLAS en CMS talrijke complementaire processen waarbij het Higgs-deeltje wordt geproduceerd en in andere deeltjes "vervalt".

Dit is wat de samenwerkingen hebben gedaan in hun nieuwe, onafhankelijke onderzoeken, gebruikmakend van hun volledige LHC Run 2-datasets, die elk meer dan 10 000 biljoen proton-protonbotsingen en ongeveer 8 miljoen Higgs-bosonen bevatten – 30 keer meer dan ten tijde van de ontdekking van het deeltje. De nieuwe onderzoeken combineren elk een ongekend aantal en variëteit aan productie- en vervalprocessen van het Higgs-boson om de meest nauwkeurige en gedetailleerde reeks metingen tot nu toe te verkrijgen van hun snelheden, evenals van de sterke punten van de interacties van het Higgs-boson met andere deeltjes.

Alle metingen zijn opmerkelijk consistent met de voorspellingen van het standaardmodel binnen een reeks onzekerheden, onder andere afhankelijk van de overvloed van een bepaald proces. Voor de interactiesterkte van het Higgsdeeltje met de dragers van de zwakke kracht wordt een onzekerheid van 6% bereikt. Ter vergelijking:vergelijkbare analyses met de volledige gegevenssets van Run 1 resulteerden in een onzekerheid van 15% voor die interactiesterkte.

"Na slechts tien jaar verkenning van het Higgs-boson bij de LHC, hebben de ATLAS- en CMS-experimenten een gedetailleerde kaart opgeleverd van de interacties met krachtdragers en materiedeeltjes", zegt ATLAS-woordvoerder Andreas Hoecker. "De Higgs-sector houdt rechtstreeks verband met zeer diepgaande vragen met betrekking tot de evolutie van het vroege universum en zijn stabiliteit, evenals met het opvallende massapatroon van materiedeeltjes. De ontdekking van het Higgs-deeltje heeft geleid tot een opwindende, diepe en brede experimentele inspanning die zal zich uitstrekken over het volledige LHC-programma."

"Het was ondenkbaar om zo'n portret van het Higgs-deeltje zo vroeg te schetsen voordat de LHC begon te werken", zegt CMS-woordvoerder Luca Malgeri. "De redenen voor deze prestatie zijn talrijk en omvatten de uitzonderlijke prestaties van de LHC en van de ATLAS- en CMS-detectoren, en de ingenieuze technieken voor gegevensanalyse die worden gebruikt."

De nieuwe combinatie-analyses bieden, naast andere nieuwe resultaten, ook strikte grenzen aan de interactie van het Higgs-deeltje met zichzelf en ook aan nieuwe, onbekende fenomenen buiten het standaardmodel, zoals het verval van het Higgs-deeltje tot onzichtbare deeltjes die donkere materie kunnen vormen.

ATLAS en CMS zullen de aard van het Higgs-deeltje blijven onthullen met behulp van gegevens van Run 3 van de LHC, die morgen begint bij een nieuwe hoogenergetische grens, en van de grote upgrade van de versneller, de High-Luminosity LHC (HL-LHC), van 2029. Met ongeveer 18 miljoen Higgs-bosonen die naar verwachting zullen worden geproduceerd in elk experiment in Run 3 en ongeveer 180 miljoen in de HL-LHC-runs, verwachten de samenwerkingen niet alleen de meetonzekerheden van de tot nu toe bepaalde interacties van het Higgs-deeltje aanzienlijk te verminderen, maar ook om enkele van de interacties van het Higgs-deeltje met de lichtere materiedeeltjes te observeren en om het eerste significante bewijs van de interactie van het boson met zichzelf te verkrijgen. + Verder verkennen

ATLAS- en CMS-samenwerkingen jagen op het onzichtbare met het Higgs-deeltje