Ein zentrales Ziel des ATLAS-Higgs-Physikprogramms besteht darin, die Stärke der Wechselwirkungen des Higgs-Bosons mit elementaren Fermionen und Bosonen mit zunehmender Präzision zu messen.
Diese Wechselwirkungen sind nach der Theorie der elektroschwachen Symmetriebrechung für die Massenbildung der Teilchen verantwortlich. Die Wechselwirkungsstärken lassen sich durch genaue Messungen der Erzeugung des Higgs-Bosons und des Zerfalls in die betreffenden Teilchen bestimmen.
Auf der jüngsten Internationalen Konferenz für Hochenergiephysik (ICHEP) 2024 präsentierte die ATLAS-Kollaboration verbesserte Messungen der Stärke der Wechselwirkungen des Higgs-Bosons mit den drei schwersten Quarks: Top-, Bottom- und Charm-Quark.
Die neuen Ergebnisse basieren auf einer Neuanalyse der LHC Run 2-Daten aus den Jahren 2015–2018 mit deutlich verbesserten Analysemethoden, darunter einer verbesserten Jet-Markierung.
Aber was sind Jets und warum müssen sie markiert werden? Wenn das Higgs-Boson in ein Quarkpaar zerfällt, zersplittert jedes Quark und erzeugt einen kollimierten Partikelstrahl (hauptsächlich Hadronen), der im Detektor beobachtet werden kann. Ziel der Jet-Markierung ist es, durch detaillierte Analyse der Jet-Eigenschaften festzustellen, welcher Quarktyp (oder welche „Art“) einen bestimmten Jet erzeugt hat.
Mithilfe neuer, maßgeschneiderter Jet-Tagging-Techniken (oder „Flavour-Tagging-Techniken“) für Charm- und Bottom-Quarks gelang es den ATLAS-Forschern, die Sensitivität ihrer Analysen deutlich zu erhöhen. Zusammen mit anderen Analyseverbesserungen steigerten sie die Sensitivität für H→bb- und H→cc-Zerfälle um 15 % bzw. einen Faktor drei.
Aktualisierte Messungen der Higgs-Boson-Produktion in Verbindung mit einem W- oder Z-Boson und Zerfällen in ein Paar Bottom- oder Charm-Quarks ergaben die erste Beobachtung des WH, H→bb-Prozesses mit 5,3σ Signifikanz und eine Messung von ZH, H→bb mit 4,9σ Signifikanz. Der Higgs-Boson-Zerfall in c-Quarks wird im Vergleich zum Zerfall in b-Quarks um einen Massenfaktor von 20 unterdrückt und ist daher noch zu selten, um beobachtet zu werden.
ATLAS setzt eine Obergrenze für die Geschwindigkeit des VH, H→cc-Prozesses von 11,3 mal der Vorhersage des Standardmodells. Diese Ergebnisse sind die bislang genauesten Untersuchungen dieser Prozesse und sie sind mit dem Standardmodell kompatibel.
Eine neue Messung der Wechselwirkung des Higgs-Bosons mit dem Top-Quark konzentrierte sich auf die Produktion des Higgs-Bosons in Verbindung mit zwei Top-Quarks und seinen anschließenden Zerfall in ein Paar Bottom-Quarks. Dieser anspruchsvolle Prozess weist einen sehr komplexen Endzustand auf und leidet unter großen Hintergründen.
Die neue Analyse, die von einem verfeinerten Verständnis der dominanten Hintergrundprozesse mit Top-Quarks profitiert, verbesserte die Empfindlichkeit um den Faktor zwei und maß eine Signalstärke für die ttH-, H→bb-Produktion von 0,81 ± 0,21, relativ zur Vorhersage des Standardmodells.
Weitere verbesserte Analysetechniken und neue Daten aus dem laufenden dritten Lauf versprechen eine noch präzisere Messung dieser Wechselwirkungen. Diese Fortschritte bei der Suche nach H→cc steigern die Erwartungen an den High-Luminosity LHC (HL-LHC), bei dem die Erkennung dieses Prozesses in den Bereich des Machbaren rückt.