Kan Higgs boson fortfarande överraska oss? Sedan upptäckten 2012, ATLAS och CMS -samarbeten på CERN har aktivt studerat egenskaperna hos detta senaste och mest mystiska tillskott till standardmodellen för partikelfysik.

I standardmodellen, Brout-Englert-Higgs-mekanismen förutspår att Higgs-bosonen kommer att interagera med materialpartiklar (kvarker och leptoner, kallas fermioner) med en styrka som är proportionell mot partikelns massa. Det förutspår också att Higgs -bosonen kommer att interagera med kraftbärarpartiklarna (W och Z -bosoner) med en styrka som är proportionell mot kvadraten av partikelns massa. Därför, genom att mäta Higgs bosons förfall och produktionshastigheter, som är beroende av interaktionsstyrkan till dessa andra partiklar, ATLAS -fysiker kan utföra ett grundläggande test av standardmodellen.

Förra veckan, vid European Physical Society Conference on High-Energy Physics (EPS-HEP) i Gent, Belgien, ATLAS -samarbetet släppte ett nytt preliminärt resultat som söker efter Higgs boson förfaller till ett muon- och antimuonpar (H → μμ). Den nya, mer känsligt resultat använder hela datauppsättningen för körning 2, analysera nästan dubbelt så många Higgs boson -händelser som det tidigare ATLAS -resultatet (släpptes 2018, för ICHEP -konferensen).

Både ATLAS och CMS Collaborations har redan observerat att Higgs -bosonet förfaller till tau lepton - muonens tyngre kusin, som tillhör den tredje "generationen" av fermioner. Eftersom muoner är mycket lättare än tau leptoner, Higgs bosons förfall till ett muonpar förväntas inträffa cirka 300 gånger mindre ofta än det för ett tau-leptonpar. Trots denna knapphet, H → μμ-förfallet ger den bästa möjligheten att mäta Higgs-interaktionen med andra generationens fermioner vid LHC, ger ny inblick i massans ursprung för olika fermiongenerationer.

Experimentellt, ATLAS är välutrustat för att identifiera och rekonstruera muonpar. Genom att kombinera mätningar från ATLAS inre detektor och muonspektrometer, fysiker kan uppnå en bra muon -momentumupplösning. Dock, de måste också redogöra för att muoner skapas med en gemensam bakgrund:den rikliga "Drell-Yan-processen", där ett muonpar produceras via utbyte av ett virtuellt Z -boson eller en foton. För att hjälpa till att skilja H → μμ -signalen från denna bakgrund, ATLAS -team använder multivariata diskriminanter (förstärkta beslutsträd), som utnyttjar de olika produktions- och förfallande egenskaperna för varje händelse. Till exempel, H → μμ signalhändelser kännetecknas av ett mer centralt muonpar -system och en större momentum i planet tvärs mot de kolliderande protonerna.

För att ytterligare öka sökningens känslighet, fysiker separerar de potentiella H → μμ -händelserna i flera kategorier, var och en med olika förväntade signal-till-bakgrund-förhållanden. De undersöker varje kategori separat, studerar fördelningen av massan av muonparet för de valda händelserna. Signalen och bakgrundsmängden kunde sedan bestämmas samtidigt av en anpassning till masspektrumet, utnyttja signalformens och bakgrundsprocessernas olika former. Figur 2 visar den resulterande massfördelningen av muonpar kombinerade över alla kategorier.

I det nya ATLAS -resultatet, inget signifikant överskott av händelser över den uppmätta bakgrunden observerades i signalområdet runt Higgs -bosonmassan på 125 GeV. Den observerade signalbetydelsen är 0,8 standardavvikelser för 1,5 standardavvikelser som förväntas från standardmodellen. En övre gräns för Higgs bosonproduktionens tvärsnittstider förgreningsfraktion till muoner sattes till 1,7 gånger standardmodellsprognosen vid 95% konfidensnivå. Detta nya resultat representerar en förbättring med cirka 50% i förhållande till tidigare ATLAS -resultat.