Sedan Higgs-bosonen upptäcktes 2012, forskare vid Large Hadron Collider (LHC) har studerat egenskaperna hos denna mycket speciella partikel och dess relation till den grundläggande mekanism som är väsentlig för generering av massa av elementära partiklar. En egenskap som återstår att experimentellt verifiera är om Higgs-bosonen kan kopplas till sig själv, känd som självkoppling. En sådan interaktion skulle bidra till produktionen av ett par Higgs-bosoner i LHC:s högenergiproton-protonkollisioner, en otroligt sällsynt process i standardmodellen – mer än 1000 gånger sällsyntare än produktionen av en enda Higgs-boson! Att mäta en Higgs bosons självkoppling som skiljer sig från det förutsagda värdet skulle få viktiga konsekvenser; universum kanske kan övergå till ett lägre energitillstånd och lagarna som styr materiens interaktioner kan få en helt annan form.

Vid den pågående Rencontres de Moriond -konferensen, ATLAS-samarbetet presenterade resultatet av en studie som ytterligare utforskar denna fråga. ATLAS-fysiker letade efter de två nära besläktade Higgs-par-produktionsprocesserna som kan finnas i LHC-kollisioner, även om endast en av dessa är relaterad till Higgs bosons självkoppling och bidrar positivt till produktionen av Higgs par när deras totala massa är låg. Dessa två processer interfererar kvantmekaniskt och undertrycker Higgs bosonparproduktion i standardmodellen. Om ett nytt fysikfenomen är på gång, det kan förändra Higgs bosons självkoppling och ATLAS kan se fler par av Higgs bosoner än väntat – eller i partikelfysikspråk, mäta ett högre tvärsnitt.

För deras nya studie, ATLAS-fysiker har utvecklat nya analystekniker för att söka efter den sällsynta processen där en av de två Higgs-bosonerna sönderfaller till två fotoner och den andra sönderfaller till två bottenkvarkar (HH → ɣɣbb). Först, de delade upp kollisionen mellan proton och proton i områden med låg och hög massa, för att optimera känsligheten för Higgs bosons självkoppling. Sedan, med hjälp av en maskininlärningsalgoritm, de skilde de händelser som ser ut som HH → ɣɣbb-processen från de som inte gör det. Till sist, de bestämde tvärsnittet för Higgs-parproduktion och observerade hur det varierar som en funktion av förhållandet mellan Higgs bosons självkoppling och dess standardmodellvärde. Detta gjorde det möjligt för ATLAS att begränsa Higgs bosons självkoppling, mellan –1,5 och 6,7 gånger standardmodellens förutsägelse, och även Higgs-parets produktionstvärsnitt. Resultatet på Higgs bosons självkoppling är mer än dubbelt så kraftfullt som det tidigare ATLAS-resultatet i samma Higgs-pars sönderfallskanal.

Även om detta resultat sätter världens bästa begränsningar för storleken på Higgs bosons självkoppling, arbetet har bara börjat. Detta är en förhandsvisning av det som kommer, så mycket mer data skulle behövas för att observera Higgs bosons självkoppling om den var nära dess standardmodellförutsägelse. Att observera Higgs bosons självkoppling är verkligen ett av existensen för High-Luminosity LHC (HL-LHC) programmet, en uppgradering av LHC planerad att börja användas i slutet av 2020-talet. HL-LHC förväntas leverera en datauppsättning som är mer än 20 gånger större än den som används i denna analys och att fungera med högre kollisionsenergi. Om Higgs-parproduktionen är som förutspått av standardmodellen, det bör observeras i denna enorma datauppsättning, och ett mer kvantitativt uttalande kommer att göras om styrkan hos Higgs bosonkopplingen till sig själv.