Das Higgs-Boson lebt nur eine extrem kurze Zeit, bevor es sich in andere Teilchen umwandelt oder „zerfällt“. Durch den Nachweis einiger dieser Zerfallsprodukte wurde das einzigartige Teilchen zuerst – und wird weiterhin – bei Teilchenkollisionen am Large Hadron Collider (LHC) entdeckt.
Aber was wäre, wenn das Higgs-Boson auch in unerwartete, neue Teilchen zerfallen wäre, die für die LHC-Detektoren unsichtbar waren, wie etwa die Teilchen, die die dunkle Materie bilden könnten, die das Universum durchdringt? Die ATLAS- und CMS-Kooperationen am LHC haben diese Möglichkeit in zwei kürzlich durchgeführten Studien untersucht und strenge neue Obergrenzen für den Anteil der Higgs-Bosonen festgelegt, die in unsichtbare Teilchen zerfallen.
Nach dem Standardmodell der Teilchenphysik zerfällt das Higgs-Boson in nur 0,1 % der Fälle indirekt in bekannte unsichtbare Teilchen – fast masselose Teilchen, sogenannte Neutrinos. Wenn dunkle Materie jedoch aus Teilchen besteht, die zu schwach wechselwirken, um nachgewiesen zu werden, wie von vielen Physikern vermutet, könnte das Teilchen der dunklen Materie mit dem Higgs-Boson interagieren und, wenn es nicht zu massiv ist, dem Higgs-Boson erlauben, darin zu zerfallen. Erhöhung des Anteils unsichtbarer Higgs-Boson-Zerfälle.
In ihren neuesten unabhängigen Untersuchungen suchten die Kollaborationen ATLAS und CMS nach unsichtbaren Higgs-Boson-Zerfällen in Proton-Proton-Kollisionsdaten, die während des zweiten Laufs des LHC gesammelt wurden. Beide Teams suchten nach einer bestimmten Art von Kollisionsereignis, bei dem ein Higgs-Boson durch einen als Vektor-Boson-Fusion bekannten Prozess erzeugt wird und dann in unsichtbare Teilchen zerfällt.
Diese Vektor-Boson-Fusionsereignisse enthalten zusätzliche Sprays oder „Jets“ von Partikeln, die zu beiden Enden der Partikeldetektoren emittiert werden, wodurch dieser Modus der Higgs-Boson-Produktion leichter zu erkennen ist als die anderen Modi. Zusammen mit der „fehlenden Energie“ in den Kollisionsprodukten, die die unsichtbaren Teilchen wegtragen würden, liefern diese Jets und ihre Eigenschaften unverwechselbare Signaturen für solche unsichtbaren Higgs-Boson-Ereignisse.
Die ATLAS- und CMS-Suchen ergaben keine Instanzen dieser unsichtbaren Higgs-Boson-Ereignisse, die die erwartete Anzahl von Hintergrundereignissen überschreiten würden, die die gewünschten Ereignisse nachahmen. Sie zeigten jedoch, dass das Higgs-Boson nicht häufiger als in einem bestimmten Prozentsatz der Zeit in unsichtbare Teilchen zerfallen kann: 15 % für ATLAS und 18 % für CMS, verglichen mit einem erwarteten Prozentsatz, basierend auf Computersimulationen des Standardmodells, von 10 % für beide ATLAS und CMS.
Diese Grenzen stimmen gut überein, und wenn sie im Kontext von Modellen dunkler Materie interpretiert werden, lassen sie sich in Grenzen der Wechselwirkungsstärke von Teilchen dunkler Materie mit Atomkernen übersetzen, die diejenigen ergänzen, die aus Nicht-Beschleuniger-Experimenten zur Suche nach dunkler Materie erhalten wurden.
Da der LHC später in diesem Jahr neu starten und mehr Daten liefern soll, werden ATLAS und CMS zweifellos weiterhin das Unsichtbare mit dem Higgs-Boson jagen.
Suche nach unsichtbaren Zerfällen des Higgs-Bosons, das durch Vektor-Boson-Fusion in Proton-Proton-Kollisionen bei s√ = 13 TeV, arXiv:2201.11585 erzeugt wird [hep-ex] arxiv.org/abs/2201.11585
Suche nach unsichtbaren Higgs-Boson-Zerfällen in Ereignissen mit Vektor-Boson-Fusionssignaturen unter Verwendung von 139 fb-1 Proton-Proton-Daten, die vom ATLAS-Experiment aufgezeichnet wurden, arXiv:2202.07953 [hep-ex] arxiv.org/abs/2202.07953