Figur 1:Den viktade fördelningen av azimutvinkeln mellan två strålar i signalområdet som används i CP-mätningen. Signal- och bakgrundsutbytet bestäms utifrån passformen. Data-till-simuleringsförhållanden visas längst ned i diagrammet. Det blå histogrammet representerar uppmätt signal; de skuggade områdena visar den totala osäkerheten. Kredit:ATLAS Collaboration/CERN
För att förklara massorna av elektrosvaga bosoner – W- och Z-bosonerna – postulerade teoretiker på 1960-talet en mekanism av spontant symmetribrott. Även om denna matematiska formalism är relativt enkel, dess hörnsten - Higgs boson - förblev oupptäckt i nästan 50 år.
Sedan upptäckten 2012, forskare av ATLAS- och CMS-experimenten vid CERNs Large Hadron Collider (LHC) har outtröttligt undersökt egenskaperna hos Higgs-bosonen. De har mätt dess massa till cirka 125 GeV - det är ungefär 130 gånger massan av protonen i vila - och fann att den har noll elektrisk laddning och spinn.
Spegelbilden
Forskare satte sig för att bestämma Higgs-bosonens paritetsegenskaper genom att mäta dess sönderfall till par av W-bosoner (H → WW*), Z-bosoner (H → ZZ*) och till fotoner (H → γγ). Genom dessa mätningar, de bekräftade att Higgs-bosonen har jämn laddningsparitet (CP). Detta innebär att - som förutspått av standardmodellen - Higgs bosonens interaktioner med andra partiklar inte förändras när "titta" i CP-spegeln.
Som alla snedvridningar i denna CP -spegel (eller "CP -kränkning i Higgs -interaktioner"), såsom CP-udda inblandning, skulle indikera närvaron av ännu oupptäckta fenomen, fysiker vid LHC granskar styrkorna hos Higgs-boson-kopplingar mycket noggrant. Ett nytt resultat från ATLAS Collaboration, släpptes för Higgs 2020-konferensen, syftar till att berika Higgs-bilden genom att studera dess WW*-förfall.
En ny ATLAS-studie undersöker CP-naturen hos den effektiva kopplingen mellan Higgs-bosonen och gluonerna (den starka kraftens mediatorpartiklar). Tills nu, den gluonfusionsinducerade produktionen av en Higgs-boson, i samband med två partikelstrålar, hade inte studerats i en särskild analys. Studiet av denna produktionsmekanism är ett utmärkt sätt att söka efter tecken på CP-kränkning, eftersom det påverkar Higgs-boson kinematik, lämnar ett spår i azimutvinkeln mellan strålarna uppmätt med ATLAS.
Figur 2:Den viktade fördelningen av azimutvinkeln mellan två strålar i signalområdet som används i polarisationsmätningen. Signal- och bakgrundsutbytet bestäms från passningen. Data-till-simuleringsförhållanden visas längst ner på diagrammet. Det röda histogrammet representerar uppmätt signal; de skuggade områdena visar den totala osäkerheten Kredit:ATLAS Collaboration/CERN
Polarisationsfilter
Vid höga energier, de svaga och elektromagnetiska krafterna smälter samman till en enda elektrosvag kraft. Men med låg energi, elektromagnetiska vågor (som ljus) kan färdas oändligt långt, medan svaga interaktioner har ett ändligt intervall. Detta beror på att till skillnad från fotoner (bärarna av den elektromagnetiska kraften), W- och Z -bosonerna är massiva. Deras massor härrör från interaktioner med Higgsfältet.
En annan skillnad är att elektromagnetiska vågor är tvärgående; svängningar i det elektromagnetiska fältet sker endast i planet vinkelrätt mot dess utbredning. W och Z bosoner, å andra sidan, har både longitudinella och tvärgående polarisationer på grund av deras interaktioner med Higgsfältet. Det finns ett subtilt samspel mellan dessa longitudinella polarisationer och bosonmassorna som säkerställer att standardmodellens förutsägelser förblir ändliga.
Skulle Higgs-bosonen inte vara en fundamental skalär partikel, och istället en enhet som uppstår från ny dynamik, en annan (mer komplicerad) mekanism skulle behöva ge massa till W- och Z-bosonerna. I så fall, de uppmätta Higgs-boson-kopplingarna med elektrosvaga bosoner kan avvika från de förväntade standardmodellvärdena.
ATLAS Collaboration har släppt sin första studie av individuella polarisationsberoende Higgs-boson-kopplingar till massiva elektrosvaga bosoner. Specifikt, fysiker undersökte produktionen av Higgs bosoner genom vektor-boson fusion i samband med två jetstrålar. Precis som ett polariserande filter hjälper dig att ta en skarpare bild vid havet genom att selektivt absorbera polariserat ljus, denna nya ATLAS-studie undersökte individuella Higgs-boson-kopplingar till longitudinellt och transversellt polariserade elektrosvaga bosoner. Ytterligare, liknande studiet av Higgs-boson-kopplingen till gluoner, närvaron av en ny mekanism skulle påverka kinematiken hos jetstrålarna som mäts med ATLAS.
Följ dessa jets!
Den största utmaningen för dessa analyser är sällsyntheten i Higgs-boson-händelserna som studeras. För signalvalen som studeras i det nya ATLAS-resultatet, endast cirka 60 Higgs-bosoner observeras via gluonfusion och endast 30 Higgs-bosoner via vektor-bosonfusion. Under tiden, bakgrundshändelser är nästan hundra gånger fler. För att tackla denna utmaning, båda analyserna räknade inte bara händelser utan undersökte också formerna för den azimutala vinkeln (vinkeln tvärs riktningen för protonstrålarna) mellan de två strålarna. Korrelationen mellan dessa jets har hjälpt till att lösa egenskaperna hos Higgs-bosonproduktionen.
Forskare använde tekniken för parametermorphing för att interpolera och extrapolera fördelningen av denna vinkel från en liten uppsättning kopplingsriktmärken till en stor mängd olika kopplingsscenarier. De monterade fördelningarna av azimutvinkeln mellan strålarna visas i figurerna 1 och 2.
Än så länge, båda fördelningarna visar inga tecken på ny fysik. När ytterligare LHC-data har analyserats (dessa studier inkluderar endast data som samlats in under 2015 och 2016), de skuggade områdena i tomterna som representerar mätningens osäkerhet bör minska. Detta kommer att ge en ännu skarpare bild av Higgs boson.
