Sedan upptäckten av Higgs-bosonen 2012, forskare i ATLAS- och CMS-samarbeten vid Large Hadron Collider (LHC) har arbetat hårt med att karakterisera dess egenskaper och jaga de olika sätten på vilka denna tillfälliga partikel kan förfalla. Från det rikliga men experimentellt utmanande förfallet till b-kvarkar, till den utsökt sällsynta men låga bakgrunden förfall till fyra leptoner, var och en erbjuder en annan väg att studera egenskaperna hos denna nya partikel. Nu, ATLAS har hittat första bevis på att Higgs-bosonen sönderfaller till två leptoner (antingen en elektron eller ett myonpar med motsatt laddning) och en foton. Känd som "Dalitz förfall, "Detta är ett av de sällsynta Higgs-bosonförfallen som hittills setts vid LHC.

För denna analys, ATLAS-fysiker riktade in sig på ett Higgs-bosonförfall förmedlat av en virtuell foton. I motsats till det välbekanta stallet, masslös foton, denna virtuella partikel har vanligtvis en mycket liten (men icke-noll) massa och sönderfaller omedelbart till två leptoner.

ATLAS-fysiker sökte igenom hela LHC Run 2-datauppsättningen efter kollisionshändelser med en foton samt två leptoner vars sammanlagda massa var mindre än 30 GeV. I denna region, sönderfall med virtuella fotoner bör dominera över andra processer som ger samma slutliga tillstånd. ATLAS mätte en Higgs bosonsignalhastighet i denna avklingningskanal som är 1,5 ± 0,5 gånger förväntningarna från standardmodellen. Chansen att den observerade signalen orsakades av en fluktuation i bakgrunden är 3,2 sigma – mindre än 1 på 1000.

Med stora mängder data som förväntas från det kommande High-Luminosity LHC-programmet, att studera sällsynta Higgs bosonförfall kommer att bli den nya normen. Detta kommer att göra det möjligt för fysiker att gå vidare från att rapportera bevis för deras existens, att bekräfta deras observationer och genomföra detaljerade studier av Higgs bosonegenskaper – vilket leder till allt strängare tester av standardmodellen.

Att observera Higgs-bosonens sönderfall till en foton och ett leptonpar kommer att göra det möjligt för fysiker att studera laddningsparitet (CP) symmetri. CP-symmetri är ett sätt att säga att spegelbilden av interagerande partiklar, där partiklar ersätts med deras antipartiklar, bör se exakt likadant ut som den ursprungliga interaktionen. Detta var ett naturligt antagande fram till 1964, när fysiker som studerade kaon-partiklar märkte – till sin stora förvåning – att så inte är fallet i partikelfysikvärlden. Sedan dess, fysiker har lärt sig att kränkning av CP-symmetri är en signatur för den elektrosvaga interaktionen och har införlivat den i standardmodellen.

Men med Higgs-bosonen som sönderfaller till tre partiklar, varav två är laddade, fysiker kommer att kunna undersöka om sönderfall har en föredragen riktning - vilket gör det möjligt för forskare att förbättra sin förståelse av ursprunget till CP-symmetribrott och kanske till och med leda till tips för ny fysik bortom standardmodellen.