Tidigare, Higgs boson har observerats förfallna till fotoner, tau-leptoner, och W och Z bosoner. Dock, dessa imponerande prestationer representerar endast 30 procent av Higgs bosons förfall. Higgs bosons gynnade förfall till ett par b-kvarkar (H → bb) förutspåddes att hända cirka 58 procent av tiden, vilket driver Higgs -bosonets korta livslängd, och förblev därmed svårfångat. Att observera detta förfall skulle fylla i en av de stora saknade delarna av vår kunskap om Higgs-sektorn och bekräfta att Higgs-mekanismen är ansvarig för massorna av kvarkar; dessutom, det kan också ge tips om ny fysik utöver våra nuvarande teorier. Allt som allt, det är en viktig saknad del av Higgs bosonpussel.

Men efter över 1 miljon H → bb -sönderfall i ATLAS -experimentet ensam, varför har inte forskare sett det än? Detta verkar särskilt konstigt med tanke på att mindre frekventa Higgs -bosonförfall har observerats.

Svaret ligger i överflödet av b-kvarker som skapas i ATLAS-detektorn på grund av starka interaktioner. Vi skapar par b-kvarkar 10 miljoner gånger oftare än vi skapar ett H → bb-förfall, vilket gör att plocka ut dem mot den stora bakgrunden till en extremt utmanande uppgift. Vi letar därför efter H→bb-sönderfall när de produceras i samband med en annan partikel - i detta fall, ett vektorboson (W eller Z). De mer distinkta förfallna hos vektorbosoner ger ett sätt att minska den stora bakgrunden. Detta leder till en mycket lägre produktionstakt - vi räknar med att ha skapat endast 30, 000 H → bb förfaller på detta sätt, men det ger en möjlighet att upptäcka detta svårfångade förfall.

Ändå, även i detta tillstånd, bakgrundsprocesserna som efterliknar H→bb-signalen är fortfarande stora, komplex och svår att modellera. ATLAS -medarbetarna gjorde en stor insats för att isolera den lilla H → bb -signalen från den stora bakgrunden. Efter att ha valt intressekollisioner, de stod kvar med det förväntade antalet cirka 300 H → bb -händelser jämfört med 70, 000 bakgrundshändelser. I sista hand, de hoppades att se ett överskott av kollisionshändelser över vår bakgrundsförutsägelse (en bula) som dyker upp vid massan av Higgs-bosonen.

Efter att ha analyserat all data som ATLAS samlat in under 2015 och 2016, forskarna har äntligen uppnått nivån av precision för att bekräfta bevis för H → bb med en observerad betydelse på 3,6 σ när de kombinerar Run 1 och Run 2 datamängder. Som visas i figuren, en bump observeras som är mycket förenlig med förväntningarna, bekräftar många viktiga aspekter av Higgs bosons beteende. Bredvid bulten, det förfaller ett Z boson (massa 91 GeV) till ett b-kvarkpar, produceras på ett liknande sätt som Higgs boson, men rikligare. Det fungerar som en kraftfull validering av analysen.

Spotting H → bb är bara början. Studier av detta nya förfall kommer att öppna ett helt nytt fönster mot Higgs, och kan också ge tips om ny fysik utöver våra nuvarande teorier. Håll utkik på den här kanalen.