Vid den 40:e ICHEP-konferensen, ATLAS- och CMS-experimenten tillkännagav nya resultat som visar att Higgs-bosonen sönderfaller till två myoner. Myonen är en tyngre kopia av elektronen, en av de elementära partiklarna som utgör universums materiainnehåll. Medan elektroner klassificeras som en första generationens partikel, muoner tillhör den andra generationen. Fysikprocessen med att Higgs-bosonen sönderfaller till myoner är ett sällsynt fenomen eftersom bara en Higgs-boson på 5000 sönderfaller till myoner. Dessa nya resultat har avgörande betydelse för fundamental fysik eftersom de för första gången indikerar att Higgs-bosonen interagerar med andra generationens elementarpartiklar.

Fysiker vid CERN har studerat Higgs-bosonen sedan upptäckten 2012 för att undersöka egenskaperna hos denna mycket speciella partikel. Higgs boson, produceras från protonkollisioner vid Large Hadron Collider, sönderfaller – kallad sönderfall – nästan omedelbart till andra partiklar. En av huvudmetoderna för att studera Higgs bosonens egenskaper är att analysera hur den sönderfaller till de olika fundamentala partiklarna och sönderdelningshastigheten.

CMS uppnådde bevis på detta förfall med 3 sigma, vilket innebär att chansen att se Higgs-bosonen sönderfalla till ett myonpar från statistiska fluktuationer är mindre än en på 700. ATLAS två-sigma resultat betyder att chansen är en på 40. Kombinationen av båda resultaten skulle öka signifikansen långt över 3 sigma och ger starka bevis för Higgs bosons sönderfall till två myoner.

"CMS är stolta över att ha uppnått denna känslighet för förfallet av Higgs bosoner mot muoner, och att visa de första experimentella bevisen för denna process. Higgs-bosonen verkar också interagera med andra generationens partiklar i överensstämmelse med förutsägelsen av standardmodellen, ett resultat som kommer att förfinas ytterligare med den data vi förväntar oss att samla in i nästa körning, sa Roberto Carlin, talesperson för CMS -experimentet.

Higgs-bosonen är kvantmanifestationen av Higgsfältet, som ger massa till elementarpartiklar som den interagerar med, via Brout-Englert-Higgs-mekanismen. Genom att mäta hastigheten med vilken Higgs-bosonen sönderfaller till olika partiklar, fysiker kan sluta sig till styrkan i deras interaktion med Higgsfältet:ju högre hastigheten av sönderfall i en given partikel, desto starkare interaktion med fältet. Än så länge, ATLAS- och CMS-experimenten har observerat att Higgs-bosonen sönderfaller till olika typer av bosoner som W och Z, och tyngre fermioner såsom tauleptoner. Samspelet med de tyngsta kvarkarna, toppen och botten, uppmättes 2018. Myoner är mycket lättare i jämförelse och deras interaktion med Higgsfältet är svagare. Interaktioner mellan Higgs boson och myoner hade, därför, inte tidigare setts på LHC.

"Dessa bevis på att Higgs boson sönderfaller till andra generationens materia partiklar kompletterar ett mycket framgångsrikt Run 2 Higgs fysikprogram. Mätningarna av Higgs bosonens egenskaper har nått ett nytt stadium i precision och sällsynta sönderfallslägen kan åtgärdas. Dessa prestationer är beroende av stor LHC-datauppsättning, ATLAS-detektorns enastående effektivitet och prestanda och användningen av nya analystekniker, sa Karl Jakobs, ATLAS talesman.

Det som gör dessa studier ännu mer utmanande är att, vid LHC, för varje förutspådd Higgs-boson som sönderfaller till två myoner, det finns tusentals myonpar som produceras genom andra processer som efterliknar den förväntade experimentella signaturen. Den karakteristiska signaturen för Higgs-bosonens sönderfall till myoner är ett litet överskott av händelser som samlas nära en myon-parmassa på 125 GeV, som är massan av Higgs boson. Att isolera Higgs-bosonen till interaktioner mellan myonpar är ingen lätt bedrift. Att göra så, båda experimenten mäter energin, momentum och vinklar för muonkandidater från Higgs bosonens förfall. Dessutom, känsligheten i analyserna förbättrades genom metoder som sofistikerade bakgrundsmodelleringsstrategier och andra avancerade tekniker som maskininlärningsalgoritmer. CMS kombinerade fyra separata analyser, var och en optimerad för att kategorisera fysikhändelser med möjliga signaler från ett specifikt Higgs bosonproduktionsläge. ATLAS delade in sina evenemang i 20 kategorier som var inriktade på specifika Higgs bosonproduktionslägen.

Resultaten, som hittills överensstämmer med standardmodellens förutsägelser, använde den fullständiga datamängden som samlades in från den andra körningen av LHC. Med mer data som ska registreras från partikelacceleratorns nästa körning och med High-Luminosity LHC, ATLAS- och CMS-samarbetena förväntar sig att nå den känslighet (5 sigma) som behövs för att fastställa upptäckten av Higgs-bosonens sönderfall till två myoner och begränsa möjliga fysikteorier bortom standardmodellen som skulle påverka detta sönderfallsläge för Higgs-bosonen.