ATLAS und CMS veröffentlichen Ergebnisse der bisher umfassendsten Studien zu den Eigenschaften des Higgs-Bosons

Heute, genau zehn Jahre nach Bekanntgabe der Entdeckung des Higgs-Bosons, berichten die internationalen ATLAS- und CMS-Kooperationen am Large Hadron Collider (LHC) über die Ergebnisse ihrer bisher umfassendsten Studien zu den Eigenschaften dieses einzigartigen Teilchens. Die unabhängigen Studien, beschrieben in zwei heute veröffentlichten Artikeln in Natur, zeigen, dass die Eigenschaften des Teilchens bemerkenswert konsistent mit denen des Higgs-Bosons sind, die vom Standardmodell der Teilchenphysik vorhergesagt werden. Die Studien zeigen auch, dass das Teilchen zunehmend zu einem mächtigen Mittel wird, um nach neuen, unbekannten Phänomenen zu suchen, die – wenn sie gefunden werden – helfen könnten, Licht auf einige der größten Geheimnisse der Physik zu werfen, wie zum Beispiel die Natur der mysteriösen dunklen Materie, die in der Universum.

Das Higgs-Boson ist die Teilchenmanifestation eines alles durchdringenden Quantenfelds, bekannt als Higgs-Feld, das grundlegend ist, um das Universum, wie wir es kennen, zu beschreiben. Ohne dieses Feld hätten Elementarteilchen wie die Quark-Bestandteile der Protonen und Neutronen von Atomkernen sowie die die Kerne umgebenden Elektronen keine Masse, ebensowenig die schweren Teilchen (W-Bosonen), die die schwache Ladung tragen Kraft, die die Kernreaktion auslöst, die die Sonne antreibt.

Um das volle Potenzial der LHC-Daten für die Untersuchung des Higgs-Bosons einschließlich seiner Wechselwirkungen mit anderen Teilchen auszuschöpfen, kombinieren ATLAS und CMS zahlreiche komplementäre Prozesse, in denen das Higgs-Boson produziert wird und in andere Teilchen „zerfällt“.

Dies haben die Kollaborationen in ihren neuen, unabhängigen Studien unter Verwendung ihrer vollständigen LHC Run 2-Datensätze getan, die jeweils über 10.000 Billionen Proton-Proton-Kollisionen und etwa 8 Millionen Higgs-Bosonen enthalten – 30-mal mehr als zum Zeitpunkt der Teilchens Entdeckung. Die neuen Studien kombinieren jeweils eine beispiellose Anzahl und Vielfalt von Produktions- und Zerfallsprozessen des Higgs-Bosons, um die bisher genauesten und detailliertesten Messungen ihrer Raten sowie der Stärke der Wechselwirkungen des Higgs-Bosons mit anderen Teilchen zu erhalten.

Alle Messungen sind bemerkenswert konsistent mit den Vorhersagen des Standardmodells innerhalb einer Reihe von Unsicherheiten, die unter anderem von der Häufigkeit eines bestimmten Prozesses abhängen. Für die Wechselwirkungsstärke des Higgs-Bosons mit den Trägern der schwachen Kraft wird eine Unsicherheit von 6 % erreicht. Zum Vergleich: Ähnliche Analysen mit den vollständigen Datensätzen aus Lauf 1 ergaben eine Unsicherheit von 15 % für diese Interaktionsstärke.

„Nach nur zehn Jahren Erforschung des Higgs-Bosons am LHC haben die Experimente ATLAS und CMS eine detaillierte Karte seiner Wechselwirkungen mit Kraftträgern und Materieteilchen geliefert“, sagt ATLAS-Sprecher Andreas Hoecker. „Der Higgs-Sektor ist direkt mit sehr tiefgreifenden Fragen verbunden, die sich auf die Entwicklung des frühen Universums und seine Stabilität sowie auf das auffällige Massenmuster von Materieteilchen beziehen. Die Entdeckung des Higgs-Bosons hat eine aufregende, tiefe und breite experimentelle Anstrengung ausgelöst wird sich über das gesamte LHC-Programm erstrecken.“

„Ein so frühes Porträt des Higgs-Bosons zu skizzieren, war vor der Inbetriebnahme des LHC undenkbar“, sagt CMS-Sprecher Luca Malgeri. „Die Gründe für diese Leistung sind vielfältig und umfassen die außergewöhnlichen Leistungen des LHC und der ATLAS- und CMS-Detektoren sowie die ausgeklügelten Datenanalysetechniken, die eingesetzt werden.“

Die neuen Kombinationsanalysen liefern neben anderen neuen Ergebnissen auch strenge Grenzen zur Wechselwirkung des Higgs-Bosons mit sich selbst und auch zu neuen, unbekannten Phänomenen jenseits des Standardmodells, wie zum Beispiel zum Zerfall des Higgs-Bosons in unsichtbare Teilchen, aus denen dunkle Materie bestehen könnte.

ATLAS und CMS werden weiterhin die Natur des Higgs-Bosons enthüllen, indem sie Daten von Run 3 des LHC verwenden, der morgen an einer neuen Hochenergiegrenze beginnt, und von der großen Aufrüstung des Colliders, dem High-Luminosity LHC (HL-LHC). 2029. Mit etwa 18 Millionen Higgs-Bosonen, die voraussichtlich in jedem Experiment in Lauf 3 produziert werden, und etwa 180 Millionen in den Läufen des HL-LHC, erwarten die Kollaborationen, nicht nur die bisher ermittelten Messunsicherheiten der Wechselwirkungen der Higgs-Bosonen erheblich zu reduzieren, sondern auch um einige der Wechselwirkungen des Higgs-Bosons mit den Teilchen der leichteren Materie zu beobachten und den ersten signifikanten Beweis für die Wechselwirkung des Bosons mit sich selbst zu erhalten.