Physiker finden Hinweise auf einen seltenen Zerfall von Higgs-Bosonen
Seit der Entdeckung des Higgs-Bosons im Jahr 2012 haben Wissenschaftler der ATLAS- und CMS-Kollaborationen am Large Hadron Collider (LHC) daran gearbeitet, seine Eigenschaften zu charakterisieren und nach verschiedenen Möglichkeiten zu suchen, dieses mysteriöse Teilchen zu zersetzen. Vom reichlichen, aber experimentell komplexen Zerfall in B-Quarks bis zum seltenen Zerfall in vier Leptonen bietet jedes verschiedene Möglichkeiten, die Eigenschaften dieses neuen Partikels zu untersuchen.
Jetzt hat ATLAS den ersten Beweis für den Zerfall des Higgs-Bosons in zwei Leptonen (entweder ein Elektron oder ein Myonenpaar mit entgegengesetzter Ladung) und ein Photon entdeckt. Bekannt als "Dalitz-Zerfall", ist es einer der seltensten Higgs-Boson-Zerfälle, die jemals im LHC beobachtet wurden.
Für diese Analyse haben ATLAS-Physiker den durch ein virtuelles Photon vermittelten Higgs-Bosonenzerfall ins Visier genommen. Im Gegensatz zum üblichen stabilen masselosen Photon hat dieses virtuelle Teilchen normalerweise eine sehr kleine Masse (aber ungleich Null) und zerfällt sofort in zwei Leptonen.
ATLAS-Physiker untersuchten den gesamten LHC Run 2-Datensatz auf Kollisionsereignisse mit einem Photon sowie zwei Leptonen mit einer Gesamtmasse von weniger als 30 GeV. In dieser Region sollten Zerfälle mit virtuellen Photonen gegenüber anderen Prozessen dominieren, die zum gleichen Endzustand führen.
ATLAS hat die Higgs-Bosonensignalgeschwindigkeit in diesem Abklingkanal gemessen, die 1,5 ± 0,5-mal höher ist als vom Standardmodell erwartet. Die Wahrscheinlichkeit, dass das beobachtete Signal durch Hintergrundschwankungen verursacht wurde, beträgt 3,2 Sigma - weniger als 1 zu 1000.
Mit der enormen Datenmenge, die vom bevorstehenden LHC-Programm mit hoher Leuchtkraft erwartet wird, wird die Untersuchung seltener Higgs-Boson-Zerfälle zur neuen Norm. Dies wird es den Physikern ermöglichen, von der Vorlage von Beweisen für ihre Existenz zur Bestätigung ihrer Beobachtungen und zur Durchführung detaillierter Studien der Eigenschaften des Higgs-Bosons überzugehen, was zu noch strengeren Tests des Standardmodells führen wird.
Durch Beobachtung des Zerfalls des Higgs-Bosons in ein Photonen- und ein Lepton-Paar können Physiker die Symmetrie der Ladungsparität (CP) untersuchen. CP-Symmetrie ist eine Art zu sagen, dass ein Spiegelbild wechselwirkender Partikel, bei dem Partikel durch ihre Antiteilchen ersetzt werden, genau wie die ursprüngliche Wechselwirkung aussehen sollte.
Dies war eine natürliche Annahme, bis Physiker 1964 zu ihrer großen Überraschung feststellten, dass dies in der Welt der Teilchenphysik nicht der Fall war. Seitdem haben Physiker gelernt, dass CP-Verstöße ein Zeichen für elektroschwache Wechselwirkungen sind, und sie in das Standardmodell aufgenommen.
Mit dem Zerfall des Higgs-Bosons in drei Teilchen, von denen zwei geladen sind, können Physiker untersuchen, ob die Zerfälle in eine bevorzugte Richtung verlaufen, wodurch die Forscher ihr Verständnis der Gründe für die Verletzung der CP-Symmetrie verbessern können und kann sogar zu Hinweisen auf neue Physik jenseits des Standardmodells führen.