Teilchenphysiker haben zum ersten Mal einen neuartigen Zerfall des Higgs-Bosons entdeckt, der eine leichte Diskrepanz in den Vorhersagen des Standardmodells aufdeckt und möglicherweise auf eine neue Physik darüber hinaus hinweist. Die Ergebnisse sind veröffentlicht im Tagebuch Briefe zur körperlichen Untersuchung.
Das seit den 1960er Jahren theoretisch vorhergesagte Higgs-Boson wurde schließlich 2012 im CERN-Labor in Europa entdeckt. Als Quantenfeld durchdringt es den gesamten Raum, durch den sich andere Teilchen bewegen und durch ihre Wechselwirkung mit dem Higgs-Feld Masse erlangen, die man sich grob als eine Art Widerstand gegen ihre Bewegung vorstellen kann.
Viele Eigenschaften des Higgs-Bosons, einschließlich seiner Wechselwirkung mit anderen Teilchen und den damit verbundenen Feldern, wurden bereits gemessen und stimmen mit den Vorhersagen des Standardmodells überein.
Aber ein Higgs-Zerfallsmodus, der noch untersucht werden musste, war eine theoretische Vorhersage, dass ein Higgs-Boson gelegentlich zerfällt und ein Photon, das Lichtquant, und ein Z-Boson erzeugt, ein ungeladenes Teilchen, das zusammen mit den beiden W-Bosonen Energie transportiert die schwache Kraft.
Wissenschaftler der ATLAS- und CMS-Kollaborationen am CERN verwendeten Daten von Proton-Proton-Kollisionen aus Lauf 2 von 2015 bis 2018, um nach diesem speziellen Z+Photon-Higgs-Zerfall zu suchen. Der Large Hadron Collider (LHC) am CERN ist der hochenergetische Teilchenbeschleuniger in der Nähe von Genf in der Schweiz, der Protonen in entgegengesetzte Richtungen zirkulieren lässt und sie dabei millionenfach pro Sekunde an bestimmten Detektorpunkten kollidieren lässt.
Bei diesem Lauf betrug die Energie bei der Kollision der beiden Protonen 13 Billionen Elektronenvolt und lag damit knapp unter dem aktuellen Maximum der Maschine, das in besser vergleichbaren Einheiten bei 2,1 Mikrojoule liegt. Das entspricht etwa der kinetischen Energie einer durchschnittlichen Mücke oder eines Salzkorns, das sich einen Meter pro Sekunde bewegt.
Die Theorie sagt voraus, dass das Higgs-Boson etwa 15 Mal pro 10.000 Zerfälle in ein Z-Boson und ein Photon zerfallen sollte, der seltenste Zerfall im Standardmodell. Dies geschieht, indem zunächst ein Paar Top-Quarks oder ein Paar W-Bosonen erzeugt werden, die dann ihrerseits in Z und Photonen zerfallen.
Die Atlas/CMS-Kollaboration, eine Arbeit von mehr als 9.000 Wissenschaftlern, fand ein „Verzweigungsverhältnis“ oder einen Bruchteil der Zerfälle von 34 Mal pro 10.000 Zerfälle, plus oder minus 11 pro 10.000 – das 2,2-fache des theoretischen Wertes.
Der gemessene Anteil ist zu groß – 3,4 Standardabweichungen über dem theoretischen Wert, eine Zahl, die immer noch zu klein ist, um einen statistischen Zufall auszuschließen. Dennoch deutet der relativ große Unterschied auf die Möglichkeit einer bedeutsamen Abweichung von der Theorie hin, die auf die Physik jenseits des Standardmodells zurückzuführen sein könnte – neue Teilchen, die neben dem Top-Quark und den W-Bosonen die Vermittler sind.
Eine Möglichkeit für die Physik jenseits des Standardmodells ist die Supersymmetrie, die Theorie, die eine Symmetrie – eine Beziehung – zwischen Teilchen mit Halbspin, sogenannten Fermionen, und ganzzahligen Spins, sogenannten Bosonen, postuliert, wobei jedes bekannte Teilchen einen Partner mit einem anderen Spin hat um eine halbe ganze Zahl.
Viele theoretische Physiker sind seit langem Befürworter der Supersymmetrie, da sie viele Rätsel lösen würde, die das Standardmodell plagen, wie etwa den großen Unterschied (1024) zwischen der Stärke der schwachen Kraft und der Schwerkraft oder warum die Masse des Higgs-Bosons etwa 125 beträgt Gigaelektronenvolt (GeV) ist also viel weniger als die große Vereinheitlichungsenergieskala von etwa 1016 GeV.
Im Experiment zerfällt das massive Z-Boson in etwa 3 × 10-25 Sekunden, lange bevor es einen Detektor erreichen würde. Also kompensierten die Experimentatoren dies, indem sie sich die Energie der beiden Elektronen oder zwei Myonen ansahen, die der Z-Zerfall erzeugen würde, und erforderten, dass ihre Gesamtmasse größer als 50 GeV sein sollte, ein erheblicher Bruchteil der Z-Masse von 91 GeV.
„Dieses sehr schöne Ergebnis wurde zusammen mit der CMS-Kollaboration erzielt. Es handelt sich laut der Vorhersage des Standardmodells um den seltensten Endzustand des Higgs-Bosons, für den wir erste Beweise gesehen haben“, sagte Andrew Hoecker, Sprecher der ATLAS-Kollaboration.
„Der Zerfall erfolgt durch Quantenschleifen und reagiert daher auf neue Physik auf ähnliche, aber nicht ganz gleiche Weise wie der Zwei-Photonen-Zerfall, der 2012 zur Entdeckung des Higgs-Bosons durch ATLAS und CMS beitrug.“
„Dieses Ergebnis ist aus mehreren Gründen beeindruckend“, fügte Monica Dunford von der CMS-Kollaboration hinzu. „Wir sind experimentell in der Lage, diese sehr seltenen Prozesse mit solch einer Präzision zu messen. Sie sind ein aussagekräftiger Test des Standardmodells und möglicher darüber hinausgehender Theorien.“
Dunford fügt hinzu, dass die Gruppen während des dritten Laufs am CERN, der im Juli 2022 begann, neue Daten mit einer Gesamtenergie von 13,6 TeV erfasst haben. Noch mehr Daten werden vom High Luminosity Large Hadron Collider kommen, der etwa fünfmal mehr Proton-Proton-Kollisionen pro Sekunde liefern wird. Der HL-LHC soll 2028 ans Netz gehen.
„Diese Ergebnisse sind ein Vorgeschmack auf das, was wir weiterhin erreichen können“, sagte Dunford.
Mehr Informationen:
G. Aad et al., Beweise für den Zerfall des Higgs-Bosons in ein Z-Boson und ein Photon am LHC, Briefe zur körperlichen Untersuchung (2024). DOI: 10.1103/PhysRevLett.132.021803
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