Die Entdeckung des Higgs-Bosons am Large Hadron Collider (LHC) des CERN im Jahr 2012 markierte einen bedeutenden Meilenstein in der Teilchenphysik. Seitdem untersuchen die ATLAS- und CMS-Kollaborationen sorgfältig die Eigenschaften dieses einzigartigen Teilchens und versuchen herauszufinden, auf welche unterschiedliche Weise es erzeugt wird und in andere Teilchen zerfällt.
Bei der Konferenz der Large Hadron Collider Physics (LHCP). Diese Woche berichten ATLAS und CMS, wie sie gemeinsam den ersten Beweis für den seltenen Prozess gefunden haben, bei dem das Higgs-Boson in ein Z-Boson, den elektrisch neutralen Träger der schwachen Kraft, und ein Photon, den Träger der elektromagnetischen Kraft, zerfällt . Dieser Zerfall des Higgs-Bosons könnte einen indirekten Beweis für die Existenz von Teilchen liefern, die über die vom Standardmodell der Teilchenphysik vorhergesagten hinausgehen.
Der Zerfall des Higgs-Bosons in ein Z-Boson und ein Photon ähnelt dem Zerfall in zwei Photonen. Bei diesen Prozessen zerfällt das Higgs-Boson nicht direkt in diese Teilchenpaare. Stattdessen laufen die Zerfälle über eine dazwischenliegende „Schleife“ von „virtuellen“ Teilchen ab, die auftauchen und wieder verschwinden und nicht direkt erkannt werden können. Zu diesen virtuellen Teilchen könnten neue, noch unentdeckte Teilchen gehören, die mit dem Higgs-Boson interagieren.
Das Standardmodell sagt voraus, dass etwa 0,15 % der Higgs-Bosonen in ein Z-Boson und ein Photon zerfallen, wenn das Higgs-Boson eine Masse von etwa 125 Milliarden Elektronenvolt hat. Einige Theorien, die das Standardmodell erweitern, sagen jedoch eine andere Zerfallsrate voraus. Die Messung der Zerfallsrate liefert daher wertvolle Einblicke sowohl in die Physik jenseits des Standardmodells als auch in die Natur des Higgs-Bosons.
Zuvor führten ATLAS und CMS unabhängig voneinander umfangreiche Untersuchungen zum Zerfall des Higgs-Bosons in ein Z-Boson und ein Photon durch, wobei sie Daten von Proton-Proton-Kollisionen am LHC verwendeten. Beide Suchvorgänge verwendeten ähnliche Strategien und identifizierten das Z-Boson anhand seiner Zerfälle in Elektronenpaare oder Myonen – schwerere Versionen von Elektronen. Diese Z-Boson-Zerfälle treten in etwa 6,6 % der Fälle auf.
Bei diesen Suchen würden Kollisionsereignisse, die mit diesem Higgs-Boson-Zerfall (dem Signal) verbunden sind, als schmale Spitze über einem glatten Hintergrund von Ereignissen in der Verteilung der kombinierten Masse der Zerfallsprodukte identifiziert werden. Um die Empfindlichkeit gegenüber dem Zerfall zu erhöhen, nutzten ATLAS und CMS die häufigsten Arten, in denen das Higgs-Boson erzeugt wird, und kategorisierten Ereignisse basierend auf den Merkmalen dieser Produktionsprozesse. Sie verwendeten außerdem fortschrittliche Techniken des maschinellen Lernens, um weiter zwischen Signal- und Hintergrundereignissen zu unterscheiden.
In einer neuen Studie haben ATLAS und CMS nun ihre Kräfte gebündelt, um das Ergebnis ihrer Suche zu maximieren. Durch die Kombination der Datensätze beider Experimente während des zweiten Laufs des LHC, der zwischen 2015 und 2018 stattfand, haben die Kooperationen die statistische Präzision und Reichweite ihrer Suchen deutlich erhöht.
Diese gemeinsame Anstrengung führte zum ersten Beweis für den Zerfall des Higgs-Bosons in ein Z-Boson und ein Photon. Das Ergebnis hat eine statistische Signifikanz von 3,4 Standardabweichungen und liegt damit unter der herkömmlichen Anforderung von 5 Standardabweichungen, um eine Beobachtung zu beanspruchen. Die gemessene Signalrate liegt 1,9 Standardabweichungen über der Vorhersage des Standardmodells.
„Jedes Teilchen hat eine besondere Beziehung zum Higgs-Boson, weshalb die Suche nach seltenen Higgs-Zerfällen hohe Priorität hat“, sagt ATLAS-Physikkoordinatorin Pamela Ferrari. „Durch eine sorgfältige Kombination der Einzelergebnisse von ATLAS und CMS sind wir einen Schritt vorwärts bei der Lösung eines weiteren Rätsels um das Higgs-Boson gemacht.“
„Die Existenz neuer Teilchen könnte sehr erhebliche Auswirkungen auf seltene Higgs-Zerfallsmodi haben“, sagt CMS-Physikkoordinatorin Florencia Canelli. „Diese Studie ist ein leistungsstarker Test des Standardmodells. Mit dem laufenden dritten Lauf des LHC und des zukünftigen High-Luminosity LHC werden wir in der Lage sein, die Präzision dieses Tests zu verbessern und immer seltenere Higgs-Zerfälle zu untersuchen.“