Higgs-bosonen blev berömmelse över en natt 2012 när den äntligen upptäcktes i ett virrvarr av andra partiklar genererade vid CERN:s Large Hadron Collider (LHC) i Genève, Schweiz. Upptäckten var monumental eftersom Higgs boson, som man bara hade teorier om tidigare, har den speciella egenskapen att förse andra elementarpartiklar med massa. Det är också ytterst sällsynt och svårt att identifiera i skräpet av kolliderande partiklar.

Caltech-fysiker spelade en stor roll i upptäckten av Higgs boson, ett resultat som gav den teoretiske fysikern Peter Higgs en del av 2013 års Nobelpris i fysik, och nu fortsätter de att göra betydande upptäckter om sällsynta Higgs bosonprocesser.

Den här sommaren, för första gången, partikelfysiker som använder data som samlats in av experimentet känt som Compact Muon Solenoid (CMS) vid LHC, har hittat bevis på att Higgs-bosonen sönderfaller till ett par elementarpartiklar som kallas myoner. Myonen är en tyngre version av elektronen, och både myoner och elektroner tillhör en klass av partiklar som kallas fermioner, som beskrivs i den allmänt accepterade modellen av partiklar som kallas Standardmodellen. Standardmodellen klassificerar alla partiklar som antingen fermioner eller bosoner. Rent generellt, fermioner är byggstenar i all materia, och bosoner är kraftbärarna.

En myon är också vad som kallas en andra generationens partikel. Första generationens fermionpartiklar såsom elektroner är de lättaste av partiklar; andra och tredje generationens partiklar kan sönderfalla och bli första generationens partiklar. Det nya fyndet representerar det första beviset på att Higgs-bosonen interagerar med andra generationens fermioner.

Dessutom, detta resultat ger ytterligare bevis på att sönderfallshastigheten för Higgs till fermionpar är proportionell mot kvadraten på fermionmassan. Detta är en nyckelförutsägelse av Higgsteorin. Med mer data, LHC-experimenten förväntas bekräfta att Higgs verkligen ger de fundamentala partiklarna sin massa.

"Vikten av denna mätning är att vi undersöker sällsynta processer som involverar Higgs-bosonen, och vi befinner oss i Higgs precisionsfysikundersökningsregim där varje avvikelse från standardmodellens förutsägelser kan peka oss till ny fysik, säger Maria Spiropulu, Shang-Yi Ch'en professor i fysik vid Caltech.

Forskare som analyserar data från ett annat instrument vid LHC, känd som ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS), hittade också bekräftande bevis för att Higgs-bosonen sönderfaller till myoner. Resultaten från båda experimenten presenterades vid den 40:e internationella konferensen om högenergifysik i augusti 2020.

"Vi behöver mer data och smarta analysmetoder för att bekräfta våra resultat, men det här är första gången vi ser bevis på att Higgs-bosonen sönderfaller till två myoner, " säger Irene Dutta (MS '20), en Caltech CMS-teammedlem och doktorand i Spiropulus laboratorium. "Detta resultat bekräftar experimentellt att förutsägelserna av standardmodellen för partikelfysik är perfekta. Även en liten avvikelse från vår modell skulle berätta för oss att något annat är på gång, men än så länge står standardmodellen fast, säger Dutta.

Fyndet kommer i slutändan att hjälpa forskare att bättre förstå hur Higgs-bosonen ger massa till fermionerna. Higgs-bosonen kan ses som jiggling eller excitation av Higgs-fältet. Higgsfältet fungerar som en tjock sirap och när partiklar rör sig genom den, de förvärvar massa; ju långsammare partiklarna rör sig genom fältet, desto tyngre är de (se video för en metaforisk illustration av konceptet).

"Vi vill förstå massans ursprung i vårt universum, " säger Caltech CMS-teammedlem Nan Lu, en postdoktor i Spiropulus laboratorium. "Higgsbosonen är ett experimentellt verktyg för att förstå denna mekanism, och kan vara ett handtag för att upptäcka ny fysik. Vi kan inte systematiskt observera Higgs-bosonen eller andra elementarpartiklar, förutom i deras manifestation i högenergipartikelkollisioner, men de är de grundläggande byggstenarna i vårt universum, säger Lu.

Caltech-teamet bidrog till det nya fyndet genom att söka efter Higgs-bosoner som produceras av en speciell mekanism där två partiklar som kallas kvarkar också genereras samtidigt (kvarkar är en annan typ av fermion). Denna process är av speciellt intresse eftersom de två kvarkarna erbjuder distinkta signaturer för att hjälpa till att identifiera Higgs-bosonerna. Lu utvecklade metoden för att undersöka känsligheten hos CMS-sökningen för olika massor av Higgs-bosonen, vilket förbättrar tillförlitligheten för resultaten. Dutta arbetade med att demonstrera kraften i ett avancerat verktyg för artificiell intelligens (AI), känt som ett djupt neuralt nätverk, för att analysera LHC-data.

Både Dutta och Lu hjälpte till att ta fram de slutliga känslighetsresultaten. Tidigare Caltech-postdoktor Joosep Pata, som nu är på fakulteten vid National Institute of Chemical Physics and Biophysics i Estland, utvecklat nya metoder för att påskynda den komplexa beräkningsanalys som används i projektet.

"Att undersöka egenskaperna hos Higgs-bosonen är liktydigt med att söka efter ny fysik som vi vet måste finnas där", sa Spiropulu. "Jag är särskilt stolt över arbetet av Nan, Irene, Joosep, och hela Caltech CMS-gruppen, vars talang, mångfald, och resultaten lyser i landskapet av ett storslaget internationellt samarbete."