ATLAS- och CMS -samarbetena presenterade sina senaste resultat om nya signaturer för att upptäcka Higgs -bosonen vid CERNs Large Hadron Collider. Dessa inkluderar sökningar efter sällsynta omvandlingar av Higgs -bosonet till ett Z -boson - som är bärare av en av naturens grundkrafter - och en andra partikel. Att observera och studera transformationer som förutspås vara sällsynta hjälper till att främja vår förståelse av partikelfysik och kan också peka vägen till ny fysik om observationer skiljer sig från förutsägelserna. Resultaten inkluderade också sökningar efter tecken på Higgs -transformationer till "osynliga" partiklar, som skulle kunna skina ljus på potentiella partiklar i mörk materia. Analyserna omfattade nästan 140 inversa femtobarns av data, eller cirka 10 miljoner miljarder proton -protonkollisioner, inspelad mellan 2015 och 2018.

ATLAS- och CMS -detektorerna kan aldrig se ett Higgs -boson direkt:en flyktig partikel, den omvandlas (eller "förfaller") till lättare partiklar nästan omedelbart efter att de producerats i proton -protonkollisioner, och de lättare partiklarna lämnar upplysande signaturer i detektorerna. Dock, liknande signaturer kan produceras av andra standardmodellprocesser. Forskare måste därför först identifiera de enskilda bitarna som matchar denna signatur och sedan bygga upp tillräckligt många statistiska bevis för att bekräfta att kollisionerna verkligen hade producerat Higgs bosoner.

När den upptäcktes 2012, Higgs -bosonen observerades huvudsakligen i transformationer till par av Z -bosoner och par av fotoner. Dessa så kallade "sönderfallskanaler" har relativt rena signaturer vilket gör dem lättare att upptäcka, och de har observerats vid LHC. Andra transformationer förutspås endast inträffa mycket sällan, eller för att ha en mindre tydlig signatur, och är därför utmanande att upptäcka.

Vid LHCP, ATLAS presenterade de senaste resultaten av deras sökningar efter en sådan sällsynt process, där en Higgs -boson förvandlas till en Z -boson och en foton (γ). Z producerade sålunda, själv instabil, förvandlas till par leptoner, antingen elektroner eller muoner, lämnar en signatur av två leptoner och en foton i detektorn. Med tanke på den låga sannolikheten att observera en Higgs -transformation till Z _γ med datavolymen analyserad, ATLAS kunde utesluta möjligheten att mer än 0,55% av Higgs bosoner som produceras i LHC skulle förvandlas till Z _γ . "Med denna analys, säger Karl Jakobs, talesperson för ATLAS -samarbetet, "vi kan visa att vår experimentella känslighet för denna signatur nu har nått nära standardmodellens förutsägelse." Det extraherade bästa värdet för H → Zy -signalstyrkan, definieras som förhållandet mellan det observerade och det förutsagda signalutbytet från standardmodellen, befinner sig vara 2.0 ^+1,0 _−0,9 .

CMS presenterade resultaten av den första sökningen efter Higgs -transformationer som också involverade ett Z -boson men åtföljt av en ρ (rho) eller φ (phi) meson. Z boson förvandlas återigen till par av leptoner, medan den andra partikeln omvandlas till par av pioner (ππ) i fallet med ρ och till par av kaoner (KK) när det gäller φ. "Dessa omvandlingar är extremt sällsynta, "säger Roberto Carlin, talesperson för CMS -samarbetet, "och förväntas inte observeras vid LHC om inte fysik utöver standardmodellen är inblandad." De analyserade uppgifterna gjorde det möjligt för CMS att utesluta att mer än cirka 1,9% av Higgs -bosonerna kunde omvandlas till Zρ och mer än 0,6% kunde omvandlas till Zφ. Även om dessa gränser är mycket större än förutsägelserna från standardmodellen, de visar detektorernas förmåga att göra inhopp i jakten på fysik utöver standardmodellen.

Den så kallade "mörka sektorn" inkluderar hypotetiska partiklar som kan utgöra mörk materia, det mystiska elementet som står för mer än fem gånger massan av vanlig materia i universum. Forskare tror att Higgs-bosonen kan hålla ledtrådar om naturen hos partiklar i mörk materia, som vissa förlängningar av standardmodellen föreslår att ett Higgs-boson kan förvandlas till partiklar av mörk materia. Dessa partiklar skulle inte interagera med ATLAS- och CMS -detektorerna, vilket betyder att de förblir "osynliga" för dem. Detta skulle göra det möjligt för dem att undkomma direkt upptäckt och uppträda som "saknad energi" vid kollisionen. Vid LHCP, ATLAS presenterade sin senaste övre gräns - 13% - på sannolikheten för att en Higgs -boson kan omvandlas till osynliga partiklar som kallas svagt interagerande massiva partiklar, eller WIMP:er, medan CMS presenterade resultat från en ny sökning i Higgs -transformationer till fyra leptoner via minst en mellanliggande "mörk foton", presenterar också gränser för sannolikheten för att en sådan transformation sker vid LHC.

Higgs boson fortsätter att visa sig ovärderlig för att hjälpa forskare att testa standardmodellen för partikelfysik och söka efter fysik som kan ligga bortom. Detta är bara några av de många resultaten rörande Higgs -bosonet som presenterades vid LHCP.

Teknisk anmärkning

När datavolymerna inte är tillräckligt höga för att kräva en bestämd observation av en viss process, fysiker kan förutsäga gränserna som de förväntar sig att sätta på processen. När det gäller Higgs -transformationer, dessa gränser baseras på produkten av två termer:den hastighet med vilken en Higgs-boson produceras vid proton-protonkollisioner (produktionstvärsnitt) och den hastighet med vilken den kommer att genomgå en särskild transformation till lättare partiklar (förgreningsfraktion).

ATLAS förväntas placera en övre gräns på 1,7 gånger förväntad standardmodell för processen som involverar Higgs -transformationer till en Z -boson och en foton (H → Zγ) om en sådan transformation inte var närvarande; samarbetet kunde placera en övre gräns på 3,6 gånger detta värde, närmar sig känsligheten för standardmodellens förutsägelser. CMS -sökningarna var för en mycket sällsyntare process, som förutspås av standardmodellen att endast inträffa en gång per miljon Higgs -transformationer, och samarbetet kunde sätta övre gränser på cirka 1000 gånger standardmodellens förväntningar för H → Zρ- och H → Zφ -processerna.