Natuurkundigen zoeken naar zeldzame Higgs-bosonparen kan nieuwe fysica opleveren

De gigantische CMS-detector van de Large Hadron Collider gaat op zoek naar dubbele Higgs-evenementen.

MICHAEL HOCH EN MAXIMILIEN BRICE

Natuurkundigen zoeken naar zeldzame Higgs-bosonparen kan nieuwe fysica opleveren

Van Adrian ChoSep. 13, 2018, 12:20 PM

Voor deeltjesfysici die graag nieuwe grenzen willen verkennen, is het spotten van het Higgs-boson een bitterzoete triomf geworden. Het lang gezochte deeltje werd in 2012 ontdekt bij 's werelds grootste atoomvernietiger, de Large Hadron Collider (LHC), en vulde het laatste gat in het standaardmodel van fundamentele deeltjes en krachten. Maar sindsdien heeft het standaardmodel elke test doorstaan ​​en geen aanwijzingen voor nieuwe fysica opgeleverd. Nu kunnen de Higgs zelf een uitweg bieden uit de impasse. Experimenten bij de LHC, gevestigd in CERN, het Europese deeltjesfysicalaboratorium in de buurt van Genève, Zwitserland, zijn van plan te jagen op botsingen die niet slechts één Higgs-boson produceren, maar twee. Het vinden van meer van deze zeldzame dubbele Higgs-gebeurtenissen dan verwacht, kan wijzen op deeltjes of krachten die verder gaan dan het standaardmodel en kan zelfs helpen de onbalans van materie en antimaterie in het universum te verklaren.

"Dit is het volgende grote ding", zegt Sally Dawson, een theoreticus bij Brookhaven National Laboratory in Upton, New York, en een organisator van een workshop vorige week in het Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) in Batavia, Illinois, waar meer dan 100 natuurkundigen kwamen bijeen om de conceptuele hulpmiddelen aan te scherpen die nodig zijn voor de lange zoektocht.

Het Higgs-boson speelt een speciale rol in het standaardmodel, dat beschrijft hoe een dozijn soorten deeltjes op elkaar inwerken door drie krachten: elektromagnetisme en de zwakke en sterke nucleaire krachten. (De theorie omvat geen zwaartekracht, een belangrijke tekortkoming.) De krachten in het model komen voort uit bepaalde wiskundige symmetrieën. Maar die wiskunde werkt alleen zolang de deeltjes niet met massa beginnen. Dus massa moet op de een of andere manier ontstaan ​​door interacties tussen de anders massaloze deeltjes zelf.

Dat is waar de Higgs binnenkomt. Natuurkundigen nemen aan dat de ruimte een Higgs-veld bevat - een beetje zoals een elektrisch veld - gegenereerd door Higgs-bosonen die op de loer liggen in het vacuüm. Deeltjes interageren met het veld om energie te winnen en, door de beroemde vergelijking van Albert Einstein, E = mc 2, massa.

Dit Higgs-mechanisme kreeg 6 jaar geleden veel steun, toen experimentalisten die met de twee grootste deeltjesdetectoren werkten die werden gevoed door de LHC, A Toroidal LHC Apparatus (ATLAS) en de Compact Muon Solenoid (CMS), een vluchtig deeltje met een gewicht van 133 keer als veel als een proton. Het vervalt op de manier waarop de Higgs wordt verondersteld - bijvoorbeeld in een paar fotonen. Maar natuurkundigen weten niet zeker of ze het standaardmodel Higgs-boson hebben waargenomen of iets subtiel anders.

Double-Higgs-evenementen beloven een manier om het zeker te weten, door te onthullen hoe sterk het Higgs-veld met zichzelf communiceert. Een elektrisch veld verdwijnt als er geen lading rond is, maar het Higgs-veld moet altijd in het vacuüm blijven hangen - anders zou het geen massa aan andere deeltjes kunnen geven. Het standaardmodel veronderstelt dat dit gebeurt met een Higgs-veld dat op zichzelf inwerkt en zijn energie minimaliseert, niet door te verdwijnen, maar door een kracht van nul te nemen.

Wiskundig zijn er veel manieren om een ​​dergelijk schema op te stellen, en het standaardmodel maakt gebruik van de eenvoudigste, bestuurd door slechts één parameter. Die parameter voorspelt op zijn beurt de snelheid waarmee Higgs-paren moeten ontstaan ​​bij deeltjesbotsingen - waardoor fysici een manier krijgen om het standaardmodel te testen.

De uitdaging is het vinden van de uiterst zeldzame vervalpartijen. Het standaardmodel voorspelt dat voor elke 10.000 proton-protonbotsingen bij de LHC die een enkel Higgs-boson produceren, ongeveer zes een paar zullen produceren. Die dubbele Higgs-gebeurtenissen zouden rommelige buien van andere deeltjes moeten genereren, waardoor ze nog moeilijker te identificeren zijn. De LHC heeft waarschijnlijk al ongeveer 1000 double-Higgs-evenementen geproduceerd, maar ATLAS en het CMS kunnen nog niet in de buurt komen van het uit de achtergrond halen van een signaal.

LHC-onderzoekers zeggen echter dat ze optimistisch zijn over hun kansen, vooral omdat hun technieken voor het spotten van Higgs-bosonen verbeteren. Vorige maand kondigden ze het bewijs aan dat ze een bijzonder rommelige vervalmodus hadden gedetecteerd waarin een Higgs een paar massieve deeltjes voortbrengt die bodemquarks worden genoemd, zoals het hoort in bijna 60% van alle verval. Dat is een goed voorteken voor dubbele Higgs-zoekopdrachten omdat ze vertrouwen op ten minste één Higgs in het paar dat op deze meest waarschijnlijke manier vervalt.

Twee Higgs-bosonen zijn mogelijk vervallen in bodemquarks bij deze botsing van 2016 in de ATLAS-detector.

ATLAS EXPERIMENT 2018 CERN

De LHC-experimenten kunnen jaren nodig hebben om een ​​signaal te zien. Later dit jaar zal de LHC 2 jaar inactief zijn voor upgrades. In 2026 ondergaat het opnieuw een onderbreking van 2 jaar om zijn aanvaringspercentage te verhogen. De zogenaamde High-Luminosity LHC zou dan tot 2034 lopen. Op papier levert alleen de volledige run voldoende gegevens op om de standaardmodelvoorspelling te valideren. Sommige natuurkundigen denken echter dat ze dat tijdschema kunnen verslaan omdat hun Higgs-spotting-algoritmen zich blijven verbeteren. "Zelfs vóór de LHC met hoge helderheid, denk ik dat we dicht bij de standaardmodelvoorspelling kunnen komen", zegt Caterina Vernieri, lid van CMS bij Fermilab.

Natuurlijk hopen alle LHC-onderzoekers dat het aantal dubbele Higgs-evenementen de standaardmodelvoorspelling zal overtreffen. Eleni Vryonidou, een theoreticus bij CERN, kan niet hemelhoog zijn of zou indirecte beperkingen ondervinden van het waargenomen verval. Toch kan het dubbele Higgs-percentage maar liefst zes keer zo groot zijn als de standaardmodelvoorspelling, schat ze.

Een dergelijke verbetering zou wijzen op een sterk zelf-wisselend Higgs-veld. Het kan ook duiden op vluchtige nieuwe deeltjes die de neiging hebben om in Higgses te vervallen, zoals zwaardere Higgs-partners voorspeld door veel standaard modeluitbreidingen. En het kan implicaties hebben die veel verder gaan dan de deeltjesfysica, zegt Marcela Carena, een theoreticus bij Fermilab. Natuurkundigen weten niet waarom het universum voor baby's meer materie dan antimaterie bevatte. Maar Carena zegt dat de plotselinge opkomst van een sterk op elkaar inwerkend Higgs-veld misschien de onbalans heeft geblokkeerd.

Zelfs als de snelheid van dubbel-Higgs-evenementen de standaardmodelvoorspellingen niet tart, zal de zoektocht om ze te tellen behoorlijk vruchten afwerpen, zegt Katharine Leney, een ATLAS-experimenteel aan het University College London. "Wat veel mensen drijft, inclusief ikzelf, is voor eens en voor altijd te kunnen zeggen dat het, al dan niet het standaardmodel, Higgs is."