Partikelfysiker har upptäckt ett nytt sönderfall av Higgs-bosonen för första gången, avslöjat en liten diskrepans i standardmodellens förutsägelser och kanske pekar på ny fysik bortom den. Resultaten publiceras i tidskriften Physical Review Letters .
Higgs-bosonen, som förutspåtts teoretiskt sedan 1960-talet, upptäcktes slutligen 2012 vid CERN-laboratoriet i Europa. Som ett kvantfält genomsyrar det hela rymden, genom vilket andra partiklar rör sig, och förvärvar massa via sin interaktion med Higgsfältet som grovt sett kan ses som ett slags motstånd mot deras rörelse.
Många egenskaper hos Higgs-bosonen, inklusive hur den interagerar med andra partiklar och deras associerade fält, har redan uppmätts för att stämma överens med standardmodellens förutsägelser.
Men ett Higgs sönderfallsläge som ännu inte hade undersökts var en teoretisk förutsägelse att en Higgs-boson då och då skulle sönderfalla och producera en foton, ljuskvantumet och en Z-boson, som är en oladdad partikel som tillsammans med de två W-bosonerna förmedlar den svaga kraften.
Forskare från ATLAS- och CMS-samarbeten vid CERN använde data från proton-protonkollisioner tagna från körning 2 från 2015 till 2018 för att söka efter just denna Z+foton Higgs förfall. Large Hadron Collider (LHC) vid CERN är högenergipartikelacceleratorn nära Genève, Schweiz som cirkulerar protoner i motsatta riktningar samtidigt som de får dem att kollidera vid specifika detektorpunkter, miljontals gånger per sekund.
För denna körning var energin i kollisionen mellan de två protonerna 13 biljoner elektronvolt, strax under maskinens strömmaximum, som i mer relaterbara enheter är 2,1 mikrojoule. Det är ungefär den kinetiska energin för en genomsnittlig mygga, eller en nypa salt, som färdas en meter per sekund.
Teorin förutspår att omkring 15 gånger per 10 000 sönderfall bör Higgs-bosonen sönderfalla till en Z-boson och en foton, det sällsynta sönderfallet i standardmodellen. Det gör det genom att först producera ett par toppkvarkar, eller ett par W-bosoner, som sedan själva sönderfaller till Z och fotonen.
Atlas/CMS-samarbetet, ett arbete från mer än 9 000 forskare, fann ett "förgreningsförhållande" eller bråkdel av sönderfall på 34 gånger per 10 000 sönderfall, plus eller minus 11 per 10 000–2,2 gånger det teoretiska värdet.
Den uppmätta andelen är för stor - 3,4 standardavvikelser över det teoretiska värdet, en siffra som fortfarande är för liten för att utesluta en statistisk fluke. Ändå antyder den relativt stora skillnaden möjligheten av en meningsfull avvikelse från teorin som kan bero på fysiken bortom standardmodellen – nya partiklar som är andra mellanhänder än toppkvarken och W-bosonerna.
En möjlighet för fysik bortom standardmodellen är supersymmetri, teorin som antyder en symmetri – ett förhållande – mellan partiklar av ett halvspin, kallade fermioner, och heltalsspinn, kallade bosoner, där varje känd partikel har en partner med ett spinn som skiljer sig åt. med ett halvt heltal.
Många teoretiska fysiker har länge varit förespråkare för supersymmetri eftersom det skulle lösa många gåtor som plågar standardmodellen, till exempel den stora skillnaden (10 24 ) mellan styrkorna hos den svaga kraften och gravitationen, eller varför massan av Higgs-bosonen, cirka 125 gigaelectron-volts (GeV), är så mycket mindre än den stora enhetsenergiskalan på cirka 10 16 GeV.
I experimentet sönderfaller den massiva Z-bosonen med cirka 3 × 10 -25 sekunder, långt innan den skulle nå en detektor. Så försöksledarna kompenserade genom att titta på energin hos de två elektroner eller två myoner som Z-sönderfallet skulle producera, vilket krävde att deras sammanlagda massa var större än 50 GeV, en betydande del av Z:s massa på 91 GeV.
"Detta mycket fina resultat som erhölls tillsammans med CMS-samarbetet. Det är, enligt Standard Model-förutsägelsen, det sällsynta Higgs-bosonsluttillståndet, för vilket vi har sett första bevis", säger Andreas Hoecker, talesperson för ATLAS-samarbetet.
"Sönderfallet sker genom kvantloopar och är således känsligt för ny fysik på ett liknande, men inte riktigt samma sätt som tvåfotonförfallet, som bidrog till Higgs-bosonupptäckten av ATLAS och CMS 2012."
"Detta resultat är imponerande av flera anledningar", tillade Monica Dunford från ATLAS Physics-samarbetet. "Vi kan experimentellt mäta dessa mycket sällsynta processer med sådan precision. De är ett kraftfullt test av standardmodellen och möjliga teorier bortom den."
Dunford tillägger att grupperna har skaffat nya data under körning 3 på CERN, som började i juli 2022, med 13,6 TeV total energi. Ännu mer data kommer från High Luminosity Large Hadron Collider, som kommer att ge ungefär fem gånger fler proton-protonkollisioner per sekund. HL-LHC beräknas komma online 2028.
"Dessa resultat är en förhandstitt på vad vi kommer att fortsätta att kunna uppnå", säger Dunford.
Mer information: G. Aad et al, Evidence for Higgs Boson Decay to a Z Boson and a Photon at LHC, Physical Review Letters (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.021803
Journalinformation: Fysiska granskningsbrev
© 2024 Science X Network
