Figur 2:Viktad Zγ-massfördelning av händelser som uppfyller H→Zγ-valet i data. Händelser viktas av den förväntade signalen och bakgrunden i ett Zγ-massfönster som innehåller 68 % av den förväntade signalen. Den helblå kurvan visar den monterade signalen plus bakgrundsmodellen medan den streckade linjen visar modellen för bakgrundskomponenten för passform. Kredit:ATLAS Collaboration/CERN
Higgs-bosonen upptäcktes av ATLAS och CMS Collaborations vid CERNs Large Hadron Collider (LHC) 2012 genom dess sönderfall till par av fotoner, W bosoner och Z bosoner. Sedan dess, fysiker vid dessa experiment har fått stor insikt i Higgs-bosonens egenskaper genom studiet av dess olika produktions- och sönderfallsprocesser. Förfall till par av tau leptoner och bottenkvarkar etablerades, liksom kopplingen till toppkvarkar. Dock, frågan kvarstår om Higgs-bosonen också kan interagera med ännu okända partiklar eller krafter.
Åtta år efter upptäckten, ATLAS har observerat nästan 90 % av alla Higgs-bosonsönderfall som förutspåtts av standardmodellen. Ett sällsynt sönderfall av Higgs-bosonen som ännu inte har setts är det till en Z-boson och en foton (Zγ). Detta sönderfall är av särskilt intresse för fysiker eftersom det fortsätter genom processer som involverar tunga "virtuella" (möjligen nya) partiklar, vilket kan ändra dess hastighet.
ATLAS Collaboration har släppt ett nytt resultat som söker efter Higgs-bosons sönderfall till Zγ. Detta resultat använder hela LHC Run-2-datauppsättningen, analyserade nästan fyra gånger så många Higgs-boson-händelser som det tidigare ATLAS-resultatet.
Enligt standardmodellen, 0,15 % av Higgs-bosonerna sönderfaller till Zγ – en hastighet som är jämförbar med Higgs-bosonernas sönderfall till två fotoner, en av upptäcktskanalerna. Dock, till skillnad från fotoner, Z-bosoner sönderfaller nästan omedelbart och kan inte direkt observeras. Istället, Z-bosonerna rekonstrueras genom sina sönderfall till elektron- eller myonpar. Eftersom mindre än 7 % av Z-bosonerna sönderfaller på detta sätt, bara en liten förväntad signal på cirka 1 av 10, 000 Higgs-bosoner av standardmodell kan sonderas.
Figur 1:Händelsevisning av en kandidat Higgs-boson sönderfall till en foton och en Z-boson, där Z-bosonen sönderfaller till två myoner (visas i rött). Gröna rektanglar motsvarar energiavlagringar i cellerna i den elektromagnetiska kalorimetern, medan gula rektanglar motsvarar energiavlagringar i celler i hadronkalorimetern. Kredit:ATLAS Collaboration/CERN
För att skilja Higgs-boson-händelser från rikliga bakgrundsprocesser, ATLAS-fysiker gjorde en anpassning till fördelningen av massan av den rekonstruerade Z-bosonen och fotonen. Denna passning bestämmer samtidigt antalet signal- och bakgrundshändelser genom att använda signalens olika former (smal topp) och bakgrundsprocesser (jämn fördelning).
För att öka känsligheten i sökningen, fysiker separerade de potentiella Higgs-bosonhändelserna i flera kategorier, var och en med olika förväntade signal-till-bakgrundsförhållanden. En av dessa kategorier, där Higgs-bosonen produceras tillsammans med två framåtstrålar via samverkan mellan två svaga bosoner, använde en multivariat diskriminant (eller "förstärkt beslutsträd") för att skilja den från de andra Higgs-boson produktionslägena. Andra kategorier kännetecknades av fotonens momentum eller Higgs-boson-kandidaten, eller om Z-bosonen sönderföll till elektron- eller myonpar.
Fysiker undersökte alla dessa kategorier samtidigt, studera fördelningen av massan av den rekonstruerade Z-bosonen och fotonen i utvalda händelser för att leta efter ett överskott orsakat av Higgs-bosonernas sönderfall till Zγ. Figur 2 visar Z-boson-plus-foton-massfördelningen kombinerad över alla kategorier, med resultatet av passningen överlagd.
En signalavkastning ungefär dubbelt så stor som förväntat från standardmodellen, motsvarande en signifikans på 2,2 standardavvikelser (5 behövs för att deklarera en observation) hittades i data. Resultatet gör det möjligt för ATLAS-fysiker att utesluta, på en 95% konfidensnivå, produktionshastigheter mer än 3,6 större än vad som förutspås av standardmodellen. Mer data behövs för att finslipa Higgs bosons sönderfall till Zγ.
