Deeltjesfysici hebben voor het eerst een nieuw verval van het Higgs-deeltje ontdekt, wat een kleine discrepantie in de voorspellingen van het Standaardmodel aan het licht brengt en misschien wijst op nieuwe natuurkunde daarachter. De bevindingen zijn gepubliceerd in het tijdschrift Physical Review Letters .

Het Higgs-deeltje, theoretisch voorspeld sinds de jaren zestig, werd uiteindelijk in 2012 gedetecteerd in het CERN-laboratorium in Europa. Als kwantumveld doordringt het de hele ruimte, waar andere deeltjes doorheen bewegen en massa verwerven via hun interactie met het Higgsveld, dat grofweg kan worden voorgesteld als een soort weerstand tegen hun beweging.

Van veel eigenschappen van het Higgs-deeltje, inclusief de interactie met andere deeltjes en de bijbehorende velden, is al gemeten dat ze consistent zijn met de voorspellingen van het Standaardmodel.

Maar één Higgs-vervalmodus die nog moest worden onderzocht, was een theoretische voorspelling dat een Higgs-deeltje af en toe zou vervallen en een foton zou produceren, het kwantum van licht, en een Z-boson, een ongeladen deeltje dat samen met de twee W-bosonen de zwakke kracht.

Wetenschappers van de ATLAS- en CMS-samenwerkingen bij CERN gebruikten gegevens van proton-protonbotsingen uit Run 2 van 2015 tot 2018 om te zoeken naar dit specifieke Z+foton Higgs-verval. De Large Hadron Collider (LHC) bij CERN is de hoogenergetische deeltjesversneller nabij Genève, Zwitserland, die protonen in tegengestelde richtingen laat circuleren en ze miljoenen keren per seconde op specifieke detectorpunten laat botsen.

Voor deze run bedroeg de energie bij de botsing van de twee protonen 13 biljoen elektronvolt, net onder het huidige maximum van de machine, dat in meer herkenbare eenheden 2,1 microjoule bedraagt. Dat is ongeveer de kinetische energie van de gemiddelde mug, of een zoutkorrel, die één meter per seconde aflegt.

De theorie voorspelt dat het Higgs-deeltje ongeveer 15 keer per 10.000 verval zou moeten vervallen in een Z-boson en een foton, het zeldzaamste verval in het standaardmodel. Dit gebeurt door eerst een paar top-quarks te produceren, of een paar W-bosonen, die vervolgens zelf vervallen in de Z en het foton.

De Atlas/CMS-samenwerking, het werk van meer dan 9.000 wetenschappers, heeft een 'vertakkingsverhouding' of een fractie van verval gevonden van 34 keer per 10.000 verval, plus of min 11 per 10.000 – 2,2 keer de theoretische waarde.

De gemeten fractie is te groot:3,4 standaardafwijkingen boven de theoretische waarde, een getal dat nog steeds te klein is om een ​​statistische toevalstreffer uit te sluiten. Toch duidt het relatief grote verschil op de mogelijkheid van een betekenisvolle discrepantie met de theorie die te wijten zou kunnen zijn aan natuurkunde buiten het Standaardmodel – nieuwe deeltjes die de tussenpersonen zijn, afgezien van de top-quark- en W-bosonen.

Een mogelijkheid voor de natuurkunde buiten het standaardmodel is supersymmetrie, de theorie die een symmetrie (een relatie) veronderstelt tussen deeltjes met een halve spin, fermionen genoemd, en gehele spin, bosonen genoemd, waarbij elk bekend deeltje een partner heeft met een verschillende spin. met een half geheel getal.

Veel theoretische natuurkundigen zijn lange tijd voorstander geweest van supersymmetrie, omdat het veel raadsels zou oplossen die het Standaardmodel teisteren, zoals het grote verschil (10 ²⁴ ) tussen de sterke punten van de zwakke kracht en de zwaartekracht, of waarom de massa van het Higgs-deeltje, ongeveer 125 giga-elektronvolt (GeV), zoveel minder is dan de grote unificatie-energieschaal van ongeveer 10 ¹⁶ GeV.

In het experiment vervalt het massieve Z-boson in ongeveer 3 × 10 ^-25 seconden, lang voordat het een detector zou bereiken. Dus compenseerden de onderzoekers door te kijken naar de energie van de twee elektronen of twee muonen die het Z-verval zou produceren, waardoor hun gecombineerde massa groter moest zijn dan 50 GeV, een aanzienlijk deel van de Z-massa van 91 GeV.

"Dit zeer mooie resultaat is verkregen samen met de CMS-samenwerking. Het is, volgens de voorspelling van het Standaardmodel, de zeldzaamste eindtoestand van het Higgs-deeltje, waarvoor we het eerste bewijs hebben gezien", zegt Andreas Hoecker, woordvoerder van de ATLAS-samenwerking.

"Het verval vindt plaats via kwantumlussen en is dus gevoelig voor nieuwe natuurkunde op een vergelijkbare, maar niet helemaal dezelfde manier als het verval van twee fotonen, dat heeft bijgedragen aan de ontdekking van het Higgs-boson door ATLAS en CMS in 2012."

"Dit resultaat is om verschillende redenen indrukwekkend", zegt Monica Dunford van de ATLAS Physics-samenwerking. "We zijn experimenteel in staat om deze zeer zeldzame processen met zo'n precisie te meten. Ze zijn een krachtige test van het standaardmodel en mogelijke theorieën daarbuiten."

Dunford voegt eraan toe dat de groepen nieuwe gegevens hebben verzameld tijdens Run 3 op CERN, die begon in juli 2022, met 13,6 TeV aan totale energie. Nog meer gegevens zullen afkomstig zijn van de High Luminosity Large Hadron Collider, die ongeveer vijf keer meer proton-protonbotsingen per seconde zal opleveren. De HL-LHC zal naar verwachting in 2028 online komen.

"Deze resultaten zijn een voorproefje van wat we zullen kunnen blijven bereiken", aldus Dunford.

Meer informatie: G. Aad et al, Bewijs voor het verval van het Higgs-boson naar een Z-boson en een foton bij de LHC, Physical Review Letters (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.021803

Journaalinformatie: Fysieke beoordelingsbrieven

© 2024 Science X Netwerk