Nyckeln till att förstå Higgs-bosonen och dess roll i standardmodellen är att förstå hur den interagerar med materiepartiklar, dvs kvarkar och leptoner. Det finns tre generationer av materiepartiklar, varierar i massa från den lättaste (första generationen) till den tyngsta (tredje generationen). Även om antydningar om andra generationens leptoninteraktioner har börjat dyka upp, fysiker har endast experimentellt bekräftat att massorna av de tyngsta kvarkarna härstammar från deras interaktioner med Higgsfältet. Än så länge, lättare kvarkar har ännu inte observerats interagera med Higgs-bosonen.

Denna vecka, fysiker vid ATLAS-experimentet vid CERN släppte en ny direkt sökning efter sönderfallet av Higgs-bosonen för att charma kvarkar. Att observera detta förfall skulle ge fysiker ny insikt i Higgs-bosonens förhållande till den andra generationen av materiepartiklar. Ytterligare, att mäta styrkan (eller "kopplingen") av Higgs-bosonens interaktion med charmkvarken kan ge fysiker insikt i nya fysikprocesser.

Men att upptäcka detta förfall har visat sig vara en utmaning. Den står för bara 3 % av standardmodell Higgs bosonsönderfall och, mer viktigt, dess sökning domineras kraftigt av bakgrundsprocesser. För deras nya resultat, ATLAS-forskare började med att identifiera kollisionshändelser med strålar av partiklar som härrörde från hadroniseringen av charmkvarkar. De använde en ny multivariat klassificeringsmetod, som skulle märka hadroner med särskilda egenskaper, i synnerhet deras sönderfallslängd från LHC-kollisionspunkten. Sedan, för att maximera resultatets känslighet för signalen, forskare kategoriserade dessa händelser efter de som innehöll en eller två charm-quark-taggar.

För att ytterligare undertrycka bakgrunder från andra fysikprocesser, ATLAS-fysiker riktade sin sökning till Higgs-bosoner producerade tillsammans med en vektorboson (VH(cc)), där vektorbosonen (W eller Z) sjunker till 0, 1, eller 2 elektroner eller myoner. Di-charm invariant massfördelning, efter subtraktion av bakgrunderna, visas i figur 2.

Forskare validerade denna analysstrategi genom att också studera händelser med två vektorbosoner som innehåller sönderfallet av en W-boson till en charmkvark (VW(cq) eller sönderfallet av en Z-boson till två charmkvarkar (VZ(cc)). (cq) process mättes med en signalsignifikans på 3,8 sigma, och VZ(cc)-processen med signalsignifikans på 2,6 sigma. Båda måtten, använder charmtaggning, överensstämmer med precisionsmätningar vid tidigare experiment.

Fysiker fann inga signifikanta tecken på att Higgs-bosonen förföll för att charma kvarkar; resultatet användes för att sätta en gräns för hastigheten för VH(cc)-processen (vid 95 % konfidensnivå) till 26 gånger den hastighet som förutspåddes i standardmodellen. Denna gräns gjorde det också möjligt för ATLAS-fysiker att - för första gången - ge en meningsfull tolkning av Higgs-charm-kopplingen.

ATLAS nya direkta sökning efter Higgs-bosonförfall till charmkvarkar begränsar det absoluta värdet av den modifierade kopplingen (vid 95 % konfidensnivå) till att vara, som mest, en faktor 8,5 från det värde som förutspåtts i standardmodellen. Efter att ha observerat kopplingen av Higgs-bosonen till de tyngsta kvarkarna, ATLAS-fysiker utökar nu sin utforskning av kopplingen av Higgs-bosonen till de lättare kvarkarna.