Genf. Auf der 40. ICHEP-Konferenz gaben die ATLAS- und CMS-Experimente neue Ergebnisse bekannt, die zeigen, dass das Higgs-Boson in zwei Myonen zerfällt. Das Myon ist eine schwerere Kopie des Elektrons, eines der Elementarteilchen, die den Materieinhalt des Universums ausmachen. Während Elektronen als Teilchen der ersten Generation klassifiziert werden, gehören Myonen zur zweiten Generation. Der physikalische Prozess des Zerfalls des Higgs-Bosons in Myonen ist ein seltenes Phänomen, da nur etwa ein Higgs-Boson in 5000 in Myonen zerfällt. Diese neuen Ergebnisse haben eine zentrale Bedeutung für die Grundlagenphysik, da sie zum ersten Mal zeigen, dass das Higgs-Boson mit Elementarteilchen der zweiten Generation interagiert.
Physiker am CERN untersuchen das Higgs-Boson seit seiner Entdeckung im Jahr 2012, um die Eigenschaften dieses ganz besonderen Teilchens zu untersuchen. Das Higgs-Boson, das bei Protonenkollisionen am Large Hadron Collider entsteht, zerfällt – als Zerfall bezeichnet – fast augenblicklich in andere Teilchen. Eine der wichtigsten Methoden zur Untersuchung der Eigenschaften des Higgs-Bosons besteht darin, zu analysieren, wie es in die verschiedenen fundamentalen Teilchen zerfällt und wie schnell es zerfällt.CMS hat diesen Zerfall mit 3 Sigma nachgewiesen, was bedeutet, dass die Wahrscheinlichkeit, dass das Higgs-Boson aufgrund statistischer Fluktuation in ein Myonenpaar zerfällt, weniger als eins von 700 beträgt. Das Zwei-Sigma-Ergebnis von ATLAS bedeutet, dass die Chancen eins zu 40 sind. Die Kombination beider Ergebnisse würde die Signifikanz deutlich über 3 Sigma erhöhen und liefert starke Beweise für den Higgs-Boson-Zerfall auf zwei Myonen.
„CMS ist stolz darauf, diese Sensitivität für den Zerfall von Higgs-Bosonen zu Myonen erreicht zu haben und den ersten experimentellen Beweis für diesen Prozess zu zeigen. Das Higgs-Boson scheint in Übereinstimmung mit der Vorhersage des Standardmodells auch mit Partikeln der zweiten Generation zu interagieren, ein Ergebnis, das mit den Daten, die wir im nächsten Lauf sammeln werden, weiter verfeinert wird „, sagte Roberto Carlin, Sprecher des CMS-Experiments.Das Higgs-Boson ist die Quantenmanifestation des Higgs-Feldes, das den Elementarteilchen, mit denen es interagiert, über den Brout-Englert-Higgs-Mechanismus Masse verleiht. Durch die Messung der Zerfallsrate des Higgs-Bosons in verschiedene Teilchen können Physiker auf die Stärke ihrer Wechselwirkung mit dem Higgs-Feld schließen: Je höher die Zerfallsrate in ein bestimmtes Teilchen ist, desto stärker ist seine Wechselwirkung mit dem Feld. Bisher haben die ATLAS- und CMS-Experimente beobachtet, dass das Higgs-Boson in verschiedene Arten von Bosonen wie W und Z und schwerere Fermionen wie Tau-Leptonen zerfällt. Die Wechselwirkung mit den schwersten Quarks, oben und unten, wurde 2018 gemessen. Myonen sind im Vergleich dazu viel leichter und ihre Wechselwirkung mit dem Higgs-Feld ist schwächer. Wechselwirkungen zwischen dem Higgs-Boson und Myonen waren daher am LHC bisher nicht beobachtet worden.
„Dieser Nachweis des Zerfalls des Higgs-Bosons in Materieteilchen der zweiten Generation ergänzt ein sehr erfolgreiches Higgs-Physikprogramm. Die Messungen der Eigenschaften des Higgs-Bosons haben eine neue Präzisionsstufe erreicht und seltene Zerfallsmoden können angesprochen werden. Diese Erfolge beruhen auf dem großen LHC-Datensatz, der hervorragenden Effizienz und Leistung des ATLAS-Detektors und dem Einsatz neuartiger Analysetechniken „, sagte Karl Jakobs, ATLAS-Sprecher.Was diese Studien noch schwieriger macht, ist, dass es am LHC für jedes vorhergesagte Higgs-Boson, das auf zwei Myonen zerfällt, Tausende von Myonenpaaren gibt, die durch andere Prozesse erzeugt werden, die die erwartete experimentelle Signatur nachahmen. Die charakteristische Signatur des Zerfalls des Higgs-Bosons zu Myonen ist ein kleiner Überschuss an Ereignissen, die sich in der Nähe einer Myonenpaarmasse von 125 GeV, der Masse des Higgs-Bosons, ansammeln. Die Isolierung der Higgs-Boson-Myon-Paar-Wechselwirkungen ist keine leichte Aufgabe. Dazu messen beide Experimente die Energie, den Impuls und die Winkel von Myonkandidaten aus dem Zerfall des Higgs-Bosons. Darüber hinaus wurde die Sensitivität der Analysen durch Methoden wie ausgefeilte Hintergrundmodellierungsstrategien und andere fortschrittliche Techniken wie maschinelle Lernalgorithmen verbessert. CMS kombinierte vier separate Analysen, die jeweils optimiert wurden, um physikalische Ereignisse mit möglichen Signalen eines bestimmten Higgs-Boson-Produktionsmodus zu kategorisieren. ATLAS teilte ihre Veranstaltungen in 20 Kategorien ein, die auf bestimmte Produktionsmodi des Higgs-Bosons abzielten.
Die Ergebnisse, die bisher mit den Vorhersagen des Standardmodells übereinstimmen, verwendeten den vollständigen Datensatz, der aus dem zweiten Lauf des LHC gesammelt wurde. Mit mehr Daten aus dem nächsten Lauf des Teilchenbeschleunigers und mit dem LHC mit hoher Leuchtkraft erwarten die ATLAS- und CMS-Kollaborationen, dass sie die Empfindlichkeit (5 Sigma) erreichen, die erforderlich ist, um die Entdeckung des Higgs-Boson-Zerfalls auf zwei Myonen zu etablieren und mögliche Theorien der Physik über das Standardmodell hinaus einzuschränken, die diesen Zerfallsmodus des Higgs-Bosons beeinflussen würden.
LINKS
Wissenschaftliche materialien
Papiere:
CMS physik analyse zusammenfassung: https://cds.cern.ch/record/2725423
ATLAS papier auf arXiv: https://arxiv.org/abs/2007.07830
Physik briefings:
CMS: https://cmsexperiment.web.cern.ch/news/cms-sees-evidence-higgs-boson-decaying-muons
ATLAS: https://atlas.cern/updates/physics-briefing/new-search-rare-higgs-decays-muons
Event displays and plots:
CMS: https://cds.cern.ch/record/2720665?ln=en
http://cds.cern.ch/record/2725728
ATLAS: https://cds.cern.ch/record/2725717?ln=en
https://atlas.web.cern.ch/Atlas/GROUPS/PHYSICS/PAPERS/HIGG-2019-14
Photos
CMS detector:
https://cds.cern.ch/record/1344500/files/0712017_02.jpg?subformat=icon-1440
https://cds.cern.ch/record/1431473/files/bul-pho-2007-079.jpg?subformat=icon-1440
ATLAS detector: https://mediastream.cern.ch/MediaArchive/Photo/Public/2007/0706038/0706038_02/0706038_02-A4-at-144-dpi.jpg
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CMS muon system:
https://cds.cern.ch/record/2016944/files/IMG_0267.jpg?subformat=icon-1440
https://cds.cern.ch/record/1431505/files/DSC_1432.jpg?subformat=icon-1440
ATLAS muon spectrometer:
https://mediastream.cern.ch/MediaArchive/Photo/Public/2006/0610010/0610010_02/0610010_02-A4-at-144-dpi.jpg
https://mediastream.cern.ch/MediaArchive/Photo/Public/2007/0707043/0707043_01/0707043_01-A4-at-144-dpi.jpg
