Geneve. 40. ICHEP-konferenssissa ATLAS-ja CMS-kokeet julkistivat uusia tuloksia, jotka osoittavat Higgsin bosonin hajoavan kahdeksi myoniksi. Myoni on elektronin raskaampi kopio, yksi maailmankaikkeuden ainepitoisuuden muodostavista alkeishiukkasista. Elektronit luokitellaan ensimmäisen sukupolven hiukkasiksi, mutta myonit kuuluvat toiseen sukupolveen. Fysiikan prosessi, jossa Higgsin bosoni hajoaa myoneiksi, on harvinainen ilmiö, sillä vain noin yksi Higgsin bosoni 5 000: sta hajoaa myoneiksi. Näillä uusilla tuloksilla on keskeinen merkitys perusfysiikan kannalta, koska ne osoittavat ensimmäistä kertaa, että Higgsin bosoni vuorovaikuttaa toisen sukupolven alkeishiukkasten kanssa.
Cernin fyysikot ovat tutkineet Higgsin bosonia sen löytymisestä lähtien vuonna 2012 luodatakseen tämän hyvin erikoisen hiukkasen ominaisuuksia. Higgsin bosoni, joka syntyy Large Hadron Colliderin protonitörmäyksistä, hajoaa-jota kutsutaan hajoamiseksi-lähes välittömästi toisiksi hiukkasiksi. Yksi tärkeimmistä tavoista tutkia Higgsin bosonin ominaisuuksia on analysoida, miten se hajoaa eri perushiukkasiksi ja kuinka nopeasti se hajoaa.
CMS sai näyttöä tästä hajoamisesta 3 sigmalla, mikä tarkoittaa, että todennäköisyys nähdä Higgsin bosonin hajoavan tilastollisesta vaihtelusta muonipariksi on pienempi kuin yksi 700: sta. Atlaksen kahden Sigman tulos tarkoittaa, että mahdollisuudet ovat yksi 40: stä. Molempien tulosten yhdistelmä lisäisi merkitsevyyttä reilusti yli 3 Sigman ja tarjoaa vahvaa näyttöä Higgsin bosonin hajoamisesta kahteen myoniin.
”CMS on ylpeä siitä, että se on saavuttanut tämän herkkyyden Higgsin bosonien hajoamiselle myoneiksi, ja osoittaa ensimmäiset kokeelliset todisteet tästä prosessista. Higgsin bosoni vaikuttaa olevan vuorovaikutuksessa myös toisen sukupolven hiukkasten kanssa standardimallin ennustuksen mukaisesti, mikä tarkentaa edelleen dataa, jonka odotamme seuraavan ajon aikana keräävän”, sanoi CMS-kokeen tiedottaja Roberto Carlin.
Higgsin bosoni on Higgsin kentän kvanttimuotoinen ilmentymä, joka antaa massan alkeishiukkasille, joiden kanssa se on vuorovaikutuksessa Brout-Englert-Higgs-mekanismin kautta. Mittaamalla Higgsin bosonin hajoamisnopeutta eri hiukkasiksi fyysikot voivat päätellä niiden vuorovaikutuksen lujuuden Higgsin kentän kanssa: mitä suurempi hajoamisnopeus tietyllä hiukkasella on, sitä voimakkaampi on sen vuorovaikutus kentän kanssa. Toistaiseksi ATLAS-ja CMS-kokeissa on havaittu Higgsin bosonin hajoavan erityyppisiksi bosoneiksi, kuten W ja Z, ja raskaammiksi fermioneiksi, kuten tau leptoneiksi. Vuorovaikutus raskaimpien kvarkkien, ylä-ja alaosan, kanssa mitattiin vuonna 2018. Myonit ovat paljon kevyempiä verrattuna ja niiden vuorovaikutus Higgsin kentän kanssa on heikompaa. Higgsin bosonin ja myonien välisiä vuorovaikutuksia ei siis ollut aiemmin havaittu LHC: ssä.
”tämä todiste Higgsin bosonin hajoamisesta toisen sukupolven ainehiukkasiksi täydentää erittäin menestyksekästä Run 2 Higgsin fysiikkaohjelmaa. Higgsin bosonin ominaisuuksien mittaukset ovat saavuttaneet uuden vaiheen tarkkuudessa, ja harvinaisia hajoamistiloja voidaan käsitellä. Nämä saavutukset perustuvat suureen LHC-aineistoon, ATLAS-ilmaisimen erinomaiseen tehokkuuteen ja suorituskykyyn sekä uudenlaisten analyysitekniikoiden käyttöön”, sanoi ATLAS-tiedottaja Karl Jakobs.
näistä tutkimuksista tekee vielä haastavamman se, että LHC: ssä jokaista ennustettua Higgsin bosonia kohti, joka hajoaa kahdeksi myoniksi, syntyy tuhansia myonipareja muilla prosesseilla, jotka jäljittelevät oletettua kokeellista signaalia. Higgsin bosonin hajoamisen myoneiksi tunnusmerkki on pieni ylimäärä tapahtumia, jotka ryhmittyvät lähelle 125 GeV: n muonaparin massaa, joka on Higgsin bosonin massa. Higgsin bosonin eristäminen muonin ja parin välisiin vuorovaikutuksiin ei ole helppoa. Tätä varten molemmissa kokeissa mitataan Higgsin bosonin hajoamisesta peräisin olevien muonikandidaattien energia, liikemäärä ja kulmat. Lisäksi analyysien herkkyyttä parannettiin menetelmillä, kuten hienostuneilla taustamallinnusstrategioilla ja muilla kehittyneillä tekniikoilla, kuten koneoppimisalgoritmeilla. CMS yhdisti neljä erillistä analyysiä, joista jokainen on optimoitu luokittelemaan fysiikan tapahtumat tietyn Higgsin bosonin tuotantomuodon mahdollisiin signaaleihin. ATLAS jakoi niiden tapahtumat 20 kategoriaan, jotka kohdistuivat tiettyihin Higgsin bosonin tuotantotiloihin.
tulokset, jotka ovat toistaiseksi yhdenmukaisia standardimallin ennusteiden kanssa, käyttivät LHC: n toisesta ajosta kerättyä täyttä tietokokonaisuutta. Atlaksen ja CMS: n yhteistyöllä hiukkaskiihdyttimen seuraavasta käynnistyksestä voidaan tallentaa enemmän tietoa ja korkean luminositeetin LHC: n avulla odotetaan saavutettavan se Herkkyys (5 sigma), joka tarvitaan Higgsin bosonin hajoamisen toteamiseksi kahteen muoniin ja mahdollisten fysiikan teorioiden rajoittamiseksi standardimallia pidemmälle, mikä vaikuttaisi tähän Higgsin bosonin hajoamistilaan.
LINKS
Scientific materials
Papers:
CMS physics analysis summary: https://cds.cern.ch/record/2725423
ATLAS paper on arXiv: https://arxiv.org/abs/2007.07830
fysiikan 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
https://mediastream.cern.ch/MediaArchive/Photo/Public/2007/0705021/0705021_01/0705021_01-A4-at-144-dpi.jpg
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
