Eintauchen in die Wechselwirkung des Higgs-Bosons mit dem Charm-Quark

Seit der Entdeckung des Higgs-Bosons vor einem Jahrzehnt haben die ATLAS- und CMS-Kooperationen am Large Hadron Collider (LHC) hart daran gearbeitet, die Geheimnisse dieses besonderen Teilchens zu lüften. Insbesondere haben die Kollaborationen im Detail untersucht, wie das Higgs-Boson mit Elementarteilchen wie den Materieteilchen, Quarks und Leptonen interagiert. Im Standardmodell der Teilchenphysik fallen diese Materieteilchen in drei „Generationen“ mit zunehmender Masse, und das Higgs-Boson interagiert mit ihnen mit einer Stärke, die proportional zu ihrer Masse ist. Jede Abweichung von diesem Verhalten würde einen klaren Hinweis auf neue Phänomene liefern.

ATLAS und CMS haben zuvor die Wechselwirkungen des Higgs-Bosons mit den schwersten Quarks und Leptonen der dritten Generation beobachtet, die innerhalb der aktuellen Messgenauigkeit mit den Vorhersagen des Standardmodells übereinstimmen. Und sie haben auch erste Hinweise darauf erhalten, dass das Higgs-Boson mit einem Myon, einem Lepton der zweiten Generation, wechselwirkt. Sie müssen jedoch noch beobachten, wie es mit Quarks der zweiten Generation interagiert. In zwei kürzlich erschienenen Veröffentlichungen berichten ATLAS und CMS über Analysen, die der Stärke der Wechselwirkung des Higgs-Bosons mit einem Charm-Quark, einem Quark der zweiten Generation, enge Grenzen setzen.

ATLAS und CMS untersuchten die Wechselwirkungen des Higgs-Bosons, indem sie untersuchten, wie sich das Boson in leichtere Teilchen umwandelt oder „zerfällt“ oder wie es zusammen mit anderen Teilchen produziert wird. In ihren neuesten Studien suchten die beiden Teams unter Verwendung von Daten aus dem zweiten Lauf des LHC nach dem Zerfall des Higgs-Bosons in ein Charm-Quark und sein Antimaterie-Gegenstück, das Charm-Antiquark.

Im Standardmodell ist dieser Zerfall relativ selten und tritt nur in 3 % der Fälle auf. Darüber hinaus ist der Zerfall extrem schwer zu erkennen, da die beiden Sprays oder „Jets“ von Partikeln, die er erzeugt, auch durch andere Prozesse in weitaus größeren Raten erzeugt werden können. Um diesen Zerfall leichter zu identifizieren, konzentrierten ATLAS und CMS ihre Suche auf Higgs-Bosonen, die zusammen mit einem W- oder Z-Boson produziert wurden, das zu Elektronen, Myonen (W, Z) oder Neutrinos (Z) zerfällt, und sie verwendeten ausgeklügelte Techniken des maschinellen Lernens, um sie zu identifizieren Jets, die von Charm-Quarks ausgehen. Die CMS-Suche suchte auch nach High-Impuls- oder „geboosteten“ Higgs-Bosonen, die dazu führen, dass zwei Charm-Jets zu einem breiten Jet kollabieren.

Die Teams fanden in den Daten keinen signifikanten Hinweis auf den Zerfall des Higgs-Bosons in Charm-Quarks, aber ihre Analysen setzten Grenzen für die Geschwindigkeit, mit der dieser Zerfall auftreten sollte, wenn das Higgs-Boson zusammen mit einem W- und einem Z-Boson produziert wird. Diese Grenzen entsprechen den Obergrenzen der Wechselwirkungsstärke des Higgs-Bosons mit einem Charm-Quark vom 8,5- bzw. 5,5-fachen der Standardmodellvorhersage für ATLAS bzw. CMS.

ATLAS fuhr fort, ihre Analyse mit einer Messung des Zerfalls des Higgs-Bosons in Beauty-Quarks zu kombinieren, was zeigte, dass das Higgs-Boson mit dem Charm-Quark schwächer wechselwirkt als mit dem Beauty-Quark. Mit anderen Worten, sie fanden heraus, dass das Higgs-Boson anders mit Quarks der zweiten und dritten Generation interagiert, als vom Standardmodell vorhergesagt.

Interessanterweise ermöglichte die CMS-Studie den CMS-Forschern, zum ersten Mal an einem Hadron Collider den Zerfall des Z-Bosons in Charm-Quarks zu beobachten, eine Bonusbeobachtung, die aus einem Validierungsschritt bei ihrer Suche nach dem Zerfall des Higgs-Bosons in Charm resultierte Quarks.