Vid European Physical Society Conference on High-Energy Physics (EPS-HEP) i Gent, Belgien, ATLAS Collaboration på CERN släppte nya mätningar av Higgs bosonegenskaper med hela LHC Run 2 -datauppsättningen. Kritiskt, de nya resultaten undersöker två av Higgs bosonförfall som ledde till partikelns upptäckt 2012:H → ZZ*→ 4ℓ, där Higgs -bosonen sönderfaller i två Z -bosoner, förfaller i sin tur till fyra leptoner (elektroner eller muoner); och H → γγ där Higgs -bosonet sönderfaller direkt i två fotoner.

Även om det är sällsynt, dessa kanaler är lätt att identifiera och välmätta i ATLAS -detektorn, tillåter fysiker att studera egenskaperna hos Higgs -bosonet med stor precision. Särskilt, de ger nya mätningar av Higgs bosons tvärgående momentum, som kan användas för att undersöka olika Higgs -produktionsmekanismer och möjliga avvikelser från standardmodellinteraktionerna.

Går för guld:ny inblick i fyrleptonkanalen

H → ZZ*→ 4ℓ-förfallet är den så kallade "gyllene kanalen" i Higgs-bosonen, eftersom den har den tydligaste och renaste signaturen av alla möjliga Higgs boson -sönderfallslägen. Tack vare den ökade ljusstyrkan i körning 2, ATLAS spelade in cirka 300 "golden channel" kandidatevenemang mellan 2015 och 2018, varav en tredjedel förväntas bero på ZZ -bakgrundsprocesser. Det invarianta masspektrumet för utvalda fyra-leptonhändelser för hela körning 2-data kan ses i figur 1.

Förutom det ökade antalet insamlade evenemang, ATLAS -fysiker har förbättrat sin analys. Medan ZZ -bakgrundshastigheten tidigare uppskattades med simuleringar, förknippad med en teoretisk osäkerhet, det nya ATLAS -resultatet använder data för att direkt bedöma bakgrundsbidraget. Samtidigt som den totala osäkerheten i bakgrunden är densamma, detta har avsevärt minskat mätningens teoretiska osäkerhet och modellberoende.

ATLAS -teamet introducerade också Deep Learning Neural Networks för att skilja vilka av Higgs boson -händelserna som kom från vilka produktionsmekanismer. Denna teknik gör det möjligt för ATLAS -teamet att förbättra sin identifiering av om ett Higgs -boson hade producerats genom den gemensamma sammansmältningen av ett par gluoner (ggF - står för 87% av Higgs -bosonförfall), eller från den sällsynta fusionen av två W- eller Z -vektorbosoner (VBF — 7% av förfall) eller strålningen från en W- eller Z -boson (VH — 4%). När det väl har identifierats, ATLAS -fysikerna kunde sedan mäta produktionstvärsnittet för varje.

VBF- och VH -produktionssätten kan skilja sig ganska väl genom separationen och massan av "strålar" av partiklar de producerar. För VBF, vektorbosonerna utstrålas av två kvarkar, som bildar energiska strålar i detektorn längs strålriktningen och i motsatta halvklot. Under tiden, VH -produktionsläget producerar också två jetplan, med antingen massan av W (80 GeV) eller Z (91 GeV) boson.

Dock, gluonerna i ggF -produktionen kan också utstråla extra strålar, på så sätt imiterar VBF- och VH -jetpar. Det är här Deep Learning Neural Networks kommer in. De har visat sig vara tillräckligt flexibla för att samtidigt separera ggF, VBF och VH med mindre överlappning än tidigare maskininlärningstekniker. Higgs-produktionstvärsnittet mätt i fyrleptonkanalen kan ses i figur 2, där det är 20% förbättring av VBF-tvärsnittsmätningen tack vare tekniken för neurala nätverk.

Två lampor för att se Higgs:studerar tvåfotonkanalen

ATLAS -fysiker införlivade också nya och förbättrade analystekniker i sin studie av Higgs bosonförfall till ett par fotoner (H → γγ). Särskilt, den förbättrade fotonidentifieringen och strålningsenergikalibreringen ledde till minskade associerade systematiska osäkerheter. De kriterier för elektromagnetisk duschform som används för att identifiera fotoner och undertrycka oönskade fotonkandidater från hadronförfall har nu optimerats i delområden för fotonets tvärgående momentum, eftersom duschar som genereras i detektorn beror på fotonenergin. Detta ledde till förbättringar av känsligheten med några procent.

Fysiker mätte flera differentialtvärsnitt för observerbara ämnen som är känsliga för Higgs bosonproduktion och förfall, inklusive kinematiska fördelningar av strålarna som producerats i samband med Higgs -bosonet. Interaktioner utöver standardmodellen mellan Higgs-bosonen och mätningsbosonerna förväntas ändra dessa variabler, ger ett utmärkt test för ny fysik. De inkluderande och differentiella tvärsnittsmätningarna, bestämd från utbytena av händelser i signaltoppen i diphoton invariant massdistribution (se figur 3) befanns vara i god överensstämmelse med standardmodellsprognoser. ATLAS-fysiker använde dessa mätningar för att begränsa styrkan hos hypotetiska interaktioner som inte är standardmodellen mellan Higgs-bosonet med mätningsbosonerna.

Dessutom, ATLAS fysiker kunde undersöka interaktionen mellan Higgs boson och charmkvarken. Higgs boson har ännu inte sett förfallna för att charma kvarker, som förutspås i standardmodellen ha tjugo gånger lägre takt än förfall till bottenkvarkar, observerades för första gången av ATLAS och CMS under 2018. Men om styrkan (eller "kopplingen") av Higgs -interaktionen med charmkvarken var mycket större än förväntat på grund av någon ny fysikprocess, detta skulle påverka den uppmätta momentfördelningen av Higgs -bosonet. Fysiker letade efter signaturen för denna effekt:ett överskott av data jämfört med teoriförväntningen i den låga Higgs boson -momentumregionen (se figur 4). Ett sådant överskott observerades inte i data.

Kombinerad insikt

Det totala Higgs bosonproduktionstvärsnittet mättes till 56,7 ± 6,3 pb med H → γγ -sönderfallskanalen, och 54,4 ± 5,6 pb med H → ZZ*→ 4ℓ -kanalen. Kombinera de två kanalerna, det totala tvärsnittet är 55,4 ± 4,3 pb, i överensstämmelse med standardmodellprognosen 55,6 ± 2,5 pb. Differentialtvärsnittet för Higgsbosonets tvärgående momentum i båda kanalerna håller också med, enligt figur 4, och deras kombination passar med standardmodellprognoserna.

Tack vare den utmärkta prestandan hos LHC och ATLAS -detektorn under körning 2, ATLAS -studier av Higgs -bosonen går bortom upptäckten, in i en ny era av precisionsmätningar som förstärker vår förståelse av denna partikel. Resan har precis börjat!