Physiker kombinieren mehrere Studien zu Higgs-Boson-Paaren und entdecken Hinweise zur Stabilität des Universums

Erinnern Sie sich, wie schwierig es war, ein Higgs-Boson zu finden? Versuchen Sie, zwei zur gleichen Zeit am gleichen Ort zu finden. Dieser faszinierende Prozess, bekannt als Di-Higgs-Produktion, kann Wissenschaftlern etwas über die Selbstwechselwirkung des Higgs-Bosons verraten.

Durch ihre Untersuchung können Physiker die Stärke der „Selbstkopplung“ des Higgs-Bosons messen, einem grundlegenden Aspekt des Standardmodells, der den Higgs-Mechanismus und die Stabilität unseres Universums verbindet.

Die Suche nach der Produktion von Di-Higgs-Bosonen ist eine besonders anspruchsvolle Aufgabe. Es handelt sich um einen sehr seltenen Prozess, etwa 1.000 Mal seltener als die Produktion eines einzelnen Higgs-Bosons. Während des gesamten zweiten Laufs des Large Hadron Collider (LHC) dürften in ATLAS nur einige Tausend Di-Higgs-Ereignisse entstanden sein, verglichen mit den 40 Millionen Kollisionen, die pro Sekunde stattfanden.

Wie können Physiker diese seltenen Nadeln im Datenheuhaufen finden? Eine Möglichkeit, die Suche nach der Di-Higgs-Produktion zu erleichtern, besteht darin, an mehreren Stellen danach zu suchen. Indem Physiker die verschiedenen Arten des Zerfalls von Di-Higgs (Zerfallsmodi) betrachten und diese zusammenführen, können sie ihre Chancen maximieren, die Di-Higgs-Produktion zu finden und zu untersuchen.

Forscher der ATLAS-Kollaboration haben nun die sensibelste Suche für die Di-Higgs-Produktion und Selbstkopplung, erreicht durch die Kombination von fünf Di-Higgs-Studien der Daten von LHC Run 2. Dieses neue Ergebnis ist ihre bisher umfassendste Suche und deckt über die Hälfte aller möglichen Di-Higgs-Ereignisse in ATLAS ab. Die Studie wird auch veröffentlicht in der arXiv Preprint-Server.

Die fünf Einzelstudien dieser Kombination konzentrierten sich jeweils auf unterschiedliche Zerfallsmodi, von denen jeder seine Vor- und Nachteile hat. Der wahrscheinlichste Zerfallsmodus des Di-Higgs ist beispielsweise der in vier Bottom-Quarks. Das Standardmodell QCD-Prozesse erzeugen wahrscheinlich auch vier Bottom-Quarks, was es schwierig macht, ein Di-Higgs-Ereignis von diesem Hintergrundprozess zu unterscheiden.

Der Di-Higgs-Zerfall in zwei Bottom-Quarks und zwei Tau-Leptonen weist eine moderate Hintergrundkontamination auf, ist aber fünfmal seltener und weist Neutrinos auf, die unentdeckt entweichen, was es Physikern erschwert, den Zerfall zu rekonstruieren. Der Zerfall in mehrere Leptonen ist zwar nicht allzu selten, weist aber komplexe Signaturen auf.

Andere Di-Higgs-Zerfälle sind noch seltener, wie etwa der Zerfall in zwei Bottom-Quarks und zwei Photonen. Dieser Endzustand macht nur 0,3 % aller Di-Higgs-Zerfälle aus, hat aber eine sauberere Signatur und eine viel geringere Hintergrundkontamination.

Durch die Kombination der Ergebnisse aus den Suchen nach jedem dieser Zerfälle konnten die Forscher feststellen, dass die Wahrscheinlichkeit, dass zwei Higgs-Bosonen erzeugt werden, Werte ausschließt, die mehr als 2,9-mal so hoch sind wie die Vorhersage des Standardmodells. Dieses Ergebnis liegt bei einem Konfidenzniveau von 95 % und die erwartete Sensitivität beträgt 2,4 (unter der Annahme, dass dieser Prozess in der Natur nicht vorkommt).

Die Forscher konnten auch Einschränkungen für die Stärke der Selbstkopplung des Higgs-Bosons liefern und erreichten damit die bisher beste Empfindlichkeit für diese wichtige Observable. Sie fanden heraus, dass die Größe der Higgs-Selbstkopplungskonstante und die Wechselwirkungsstärke von zwei Higgs-Bosonen und zwei Vektorbosonen mit den Vorhersagen des Standardmodells übereinstimmen.

Dieses kombinierte Ergebnis stellt einen Meilenstein in der Erforschung der Di-Higgs-Produktion dar. Nun haben die ATLAS-Forscher Daten aus dem laufenden dritten LHC-Lauf und dem bevorstehenden High-Luminosity-LHC-Betrieb im Visier. Mit diesen Daten könnten Physiker endlich in der Lage sein, die schwer fassbare Produktion von Higgs-Boson-Paaren zu beobachten.