Kandidathändelse för vektor-bosonfusionsproduktion av en Higgs-boson med efterföljande sönderfall till leptoniskt sönderfallande W-bosoner. Sluttillståndspartiklarna är en elektron (gul), muon (turkos) och två framåtstrålar (gröna och röda). Den vita pilen indikerar att tvärgående momentum saknas. Kredit:ATLAS Collaboration/CERN
Att upptäcka Higgs-bosonen 2012 var bara början. Fysiker började genast mäta dess egenskaper, en undersökning som fortfarande pågår när de försöker reda ut om Higgs-mekanismen förverkligas i naturen som förutspåtts av standardmodellen för partikelfysik. Tidigare i vår, forskare vid CERNs ATLAS-experiment meddelade att de hade mätt Higgs-bosonen i dess sönderfall till W-bosoner. W bosoner är särskilt intressanta i detta sammanhang, eftersom egenskaperna hos deras självinteraktion (vektor bosonspridning) gav trovärdigheten till mekanismen som förutspådde Higgs boson.
Higgs-bosonerna som produceras vid Large Hadron Collider (LHC) lever ett mycket kort liv på bara 10 -22 sekunder innan de förfaller. De avslöjar sina egenskaper för omvärlden två gånger:under sin produktion och sitt förfall. ATLAS nya resultat studerade Higgs boson vid båda dessa ögonblick, tittar på dess produktion via två olika metoder och dess efterföljande sönderfall till två W-bosoner (H➝WW*). När en av fem Higgs-bosoner förfaller till W-bosoner, det är den idealiska kanalen för att studera dess koppling till vektorbosoner. Forskare fokuserade också på de vanligaste sätten att producera den berömda partikeln, via gluonfusion (ggF) och vektor-bosonfusion (VBF).
Avokadomåttet
ATLAS-fysiker har kvantifierat hur ofta Higgs-bosonen interagerar med W-bosoner. Efter att ha jämfört deras mätning och simulering i ett histogram för att visa att de kunde modellera data exakt (se figur 3), forskarna genomförde en statistisk analys av processernas tvärsnitt. Resultatet visas i figur 2, där produktionslägena ggF och VBF visas separat på de två axlarna. ATLAS -resultatet betecknas med en stjärna, och är omgiven av bruna och gröna band som representerar osäkerheterna. Om analysen skulle upprepas många gånger på olika data, 68 eller 95 % av dessa repetitioner bör falla inom de bifogade banden.
Den här kärleksfullt döpta 'Avocadoplotten' illustrerar inte bara de experimentella resultaten, men också förutsägelsen av standardmodellen (visas med ett rött kors). Detta indikerar att mätresultatet överensstämmer med den teoretiska förutsägelsen. Om en större avvikelse mellan experiment och teori sågs, det kan antyda för närvarande okända fenomen. Även om standardmodellen är väletablerad, det är känt att det är ofullständigt, vilket motiverar att söka efter sådana avvikelser.
Figur 2:Tvärsnittsmätning av Higgs bosonproduktion via gluonfusion (y-axel) och vektor-bosonfusion (x-axel). Stjärnan visar mätvärdet och korset värdet som förutspåtts av standardmodellen (inringad av en linje som indikerar den teoretiska osäkerheten). Båda överensstämmer väl inom osäkerheterna. Kredit:ATLAS Collaboration/CERN
Den nya spelaren
Fysiker har först nyligen kunnat bekräfta att VBF-produktionsläget också bidrar till H➝WW*-processen. Nu, analysatorer har förbättrat sitt resultat avsevärt genom att använda ett neuralt nätverk - samma teknik som gör att datorer kan identifiera personer på bilder. Genom att använda detta neurala nätverk, de kunde dramatiskt förbättra separationen av VBF-händelser från de mer frekventa ggF-evenemangen och från andra bakgrundsbidrag.
Bland de få dussin evenemang vars egenskaper är mycket kompatibla med VBF-produktionen av Higgs-bosonen, forskarna valde en för att visa hur dessa händelser ser ut i detektorn (se händelsedisplayen). VBF-produktionsläget sticker ut på grund av de två väl separerade jetstrålarna av hadroner som når ATLAS-detektorns främre regioner. De rekylerar mot sönderfallspartiklarna från W-bosonerna:elektronen och myonen.
Figur 3:Valda datahändelser för ggF-produktionsläget jämförs med förutsägelser som en funktion av Higgs-bosonens tvärgående massa. Higgs bosonsignalen visas i rött över bakgrunden av huvudsakligen toppkvark (gul) och WW (violett) produktion. Den mittersta panelen visar förhållandet mellan data och summan av alla simuleringar, medan den nedre panelen jämför data med summan av alla förutsägelser. Kredit:ATLAS Collaboration/CERN
Vad väntar på lång sikt?
Ur en experimentell synvinkel, det är vettigt att analysera Higgs-bosonen efter hur den sönderfaller i detektorn, undersöka sönderfallets egenskaper exakt. Men för att mäta egenskaperna hos produktionsläget, olika förfallsfokuserade analyser behöver kombineras. För att effektivisera denna process, fysiker använder förenklade malltvärsnitt (STXS). Detta kategoriserar partikelkollisioner enligt egenskaper associerade med produktionsläget, så att fysiker kan mäta alla händelseshastigheter individuellt. Eftersom kategoriseringen är standardiserad mellan analyser och även mellan experiment, senare kombinationer underlättas.
Trots de anmärkningsvärda förbättringarna av detta nya resultat, den verkliga kraften i STXS-metoden kommer att bli uppenbar i kombination med andra analyser. ATLAS producerade en STXS -kombination förra året, och nästa iteration kommer att dra nytta av kraften i denna nya H➝WW*-mätning.
