Higgsdependence Day I & II

07 - 07 - 2017


Deze blog post verscheen op 6 juli op de website van New Scientist.

Dinsdag vierde het higgsdeeltje zijn eerste lustrum. Deeltjesfysicus Tristan du Pree rolt van het ene feest in het andere, want vandaag maakte het ATLAS-experiment,

Tristan du Pree (links) en François Englert op de luchthaven van Genève, na de Moriond-conferentie in 2012

waaraan hij sinds kort werkt, bekend dat het een nieuwe vervalvorm van het higgsboson heeft gemeten.

Happy Higgs Boson Birthday! 4 juli 2012, vijf jaar geleden, was de dag dat de ontdekking van het higgsdeeltje bekendgemaakt werd. Met een nerdy knipoog naar de Amerikaanse feestdag noemen we deze dag sindsdien ‘Higgsdependence Day’. Vorig jaar waren er in de CERN-cafetaria speciale Higgs-pizza’s en de rijen waren toen zo groot dat het dit jaar hier maar iets bescheidener gevierd is.

In 2012, het jaar van de ontdekking, woonde ik in Brussel en deed ik onderzoek aan de UCLouvain. Daardoor kwam ik François Englert, een van de bedenkers van het Brout-Englert-Higgs-mechanisme, regelmatig tegen bij vergaderingen. Op de foto zie je ons op de luchthaven van Genève, op de weg terug richting België, nadat we allebei op de Moriond-conferentie hadden gesproken over de zoektocht naar het langverwachte deeltje. Een jaar later kregen Englert en Higgs samen de Nobelprijs toegekend.

Verval naar quarks

Het higgsdeeltje kan zelf niet worden gemeten, doordat het onmiddellijk vervalt in andere deeltjes. Het bestaan ervan werd voor het eerst aangetoond via het verval naar paren van W-deeltjes, Z-deeltjes, en fotonen (zie ook ‘Higgsdeeltjes in de sneeuw‘). Dit zijn bosonen: deeltjes met
heeltallige spin die krachten overbrengen. In de afbeelding van het standaardmodel zie je ze in het blauw.

Impressie van het standaardmodel. Centraal: het higgsboson. Blauwe ring: bosonen. Groene ring: leptonen. Rode ring: quarks. [Bron: particle fever]

Het higgsdeeltje kan ook vervallen naar deeltjes met halftallige spin, de fermionen. Deze vervalsvormen zijn een stuk moeilijker te meten. Vervallen naar paren van tau-leptonen (groen, rechts in de figuur) zijn dan ook pas later waargenomen. De vervallen naar paren van quarks (rood in de figuur) bleven vooralsnog ongezien.

Tijdens de LHC Run1, met de data van 2011 en 2012, heb ik zelf wel gespeurd naar het verval naar b-quarks. De productie van Hbb is moeilijk te onderscheiden van een achtergrondproces met een soortgelijk verval. Daarom konden wij, toen ik nog bij het CMS-experiment onderzoek deed, nog niet met voldoende statische zekerheid aantonen dat het Hbb-verval ook daadwerkelijk bestaat.

In de figuur hieronder zie je de CMS-resultaten na LHC Run1 van de analyse van Hbb, waarbij ik mij had toegelegd op het identificeren van b-deeltjes en het nauwkeurig bepalen van de gele (Z+bb) achtergrond. Er was al wel een klein rood signaalbultje te zien, maar de hoeveelheid Higgs-vervallen was toen nog niet significant.

Transfer

En wat is er nu gebeurd? Deze week is er de grote EPS-conferentie, en in de tussentijd ben ik verhuisd naar het ATLAS-experiment. Een deeltjesfysicus die van CMS naar ATLAS verhuist is een beetje als een voetballer die een transfer krijgt van FC Barcelona naar Real Madrid (vooral qua rivaliteit dan, niet zozeer financieel).

Het ATLAS-experiment heeft nu voor het eerst bewezen dat het Hbb verval inderdaad bestaat! In de figuur hiernaast zie je de metingen van dit proces door de jaren

De zoektocht naar H→bb door CMS, met de data van 2011+2012. In het rood het gezochte H→bb signaal. [Bron: arXiv

heen. De meting van Run1 was nog niet precies genoeg voor het verklaren van een ontdekking. De meest recente meting heeft een precisie van ongeveer 30 procent en is in overeenstemming met de theorie van Higgs en Englert.

Nieuwe ATLAS-resultaten voor H→bb. De combinatie van de data van 2011+2012 (Run1) en 2016 (Run2) geeft nu bewijs voor het H→bb-verval, met een nauwkeurigheid van ~30%. [Bron: EPS conferentie]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

En waarom is dit belangrijk? We observeren nu hoe sterk het higgsdeeltje koppelt aan de b-quarks. Spoedig kunnen we ook meten hoe sterk de koppeling is aan andere quarks. Wellicht kunnen we hierdoor leren waardoor de massa’s van de quarks zo verschillend zijn, en waardoor alle fermionen voorkomen in veelvouden van 3.

Hoe dan ook, zoals met Pasen, Pinksteren, en Kerst, moeten we dus misschien ook maar twee Higgsdependence Days vieren. De Eerste Higgsdependence Day (4 juli) is dan voor de ontdekking van het Higgsdeeltje, en Tweede Higgsdependence Day (6 juli) is dan ter viering dat het higgsdeeltje inderdaad naar quarks vervalt.


Het artikel van ATLAS:
https://atlas.web.cern.ch/Atlas/GROUPS/PHYSICS/CONFNOTES/ATLAS-CONF-2017-041/