ATLAS-experiment demonstreert nieuwe vingerafdrukken van het higgsdeeltje

5 June 2020

Op de online LHCP-conferentie vorige week heeft het ATLAS-experiment een aantal nieuwe vingerafdrukken van vervallende higgsdeeltjes gedemonstreerd, die de jacht op nieuwe fysica verder kunnen aanjagen.

De ontdekking in 2012 van het higgsdeeltje op CERN betekende niet dat het langgezochte deeltje zelf in detectoren als ATLAS en CMS was gezien. Het higgsdeeltje is een vluchtig deeltje dat ogenblikkelijk verder vervalt naar allerlei combinaties van lichtere andere deeltjes. De kunst is om zulke combinaties tussen alle andere signalen in de detectoren te herkennen.

Zulke lichtere deeltjes worden in de deeltjesbotsingen ook door tal van andere processen geproduceerd. In 2012 berustte de ontdekking vooral op extra productie van paren Z-bosonen (deeltjes die de sterke kernkracht overdragen) en van paren fotonen. Andere, zeldzamere vingerafdrukken of vervalskanalen waren op dat moment nog niet uit de metingen te isoleren.

Het higgsdeeltje gold lang als de ontbrekende sluitsteen van het Standaardmodel van de deeltjesfysica. Het deeltje hoort bij de theorie van Peter Higgs en anderen die aangeeft waarom deeltjes een vaste massa hebben. Die ontlenen ze aan een zogeheten higgsveld, dat zich in metingen verraadt in de vorm van een deeltje, het higgsboson.

Op de deeltjesconferentie LHCP, niet in Parijs zoals gepland maar online vanwege covid-19, presenteerden ATLAS en concurrent CMS metingen aan zulke zeldzamere vervalprocessen van het higgs-boson. Nikhef-fysici uit Nijmegen zijn betrokken bij het werk van ATLAS aan een verval naar een Z-boson en een foton. CERN wijdde een perssamenvatting aan de resultaten.

Een Z-boson dat ontstaat uit een higgsdeeltje is zelf ook instabiel en vervalt naar paren zogeheten leptonen als elektronen of muonen, plus een lichtdeeltje (foton). Uit de metingen van ATLAS blijkt dit een zeldzaam proces: minder dan 0.55 procent van de higgsdeeltjes vervalt op die manier.

Verval van higgsdeeltje naar Z-boson en twee fotonen, een zeldzaam signaal in de ATLAS-detector.

Spokesperson Karl Jacobs van de ATLAS-collaboratie noemt dat een succes. ‘Met deze analyse laten we zien dat onze gevoeligheid voor dit signaal genoeg is om het Standaardmodel te testen.’ Voor de resultaten zijn miljoenen miljarden protonbotsingen in de ATLAS-detector bestudeerd, die tussen 2015 en 2018 werden gemeten.

Ook Nikhef-fysicus Tristan du Pree is enthousiast: ‘Bij de ontdekking van de higgs in 2012 was dit nog ondenkbaar.’ De bereikte gevoeligheid voor het Z-gamma-proces is vooral belangrijk omdat dat meer details geeft van het higgsverval. Daarmee kan ook de deeltjestheorie verder worden getest en verfijnd.

Op LHCP presenteerde het CMS-experiment, een concurrent op CERN voor ATLAS waarmee Nikhef niet geassocieerd is, ook nieuwe vingerafdrukken voor higgsdeeltjes naar Z-deeltjes en mesonen. De gevoeligheid is nog niet groot genoeg om het Standaardmodel te kunnen testen, maar ook hier zijn de onderzoekers blij dat subtielere signalen van het higgsdeeltje binnen bereik beginnen te komen.

Op de LHCP conferentie werden vorige week ook resultaten bekend van de zogeheten donkere sector in het higgsonderzoek: verval naar onzichtbare deeltjes. In theorie zou dat een rol kunnen spelen in de speurtocht naar donkere materie, die wellicht het grootste deel van de massa van het heelal vormt maar niet zichtbaar is.

In een experiment als ATLAS is het verval van een higgsdeeltje naar een donkere-materiedeeltje, zogeheten WIMPs, te herkennen aan het ontbreken van energie na het verval. Ondermeer de Nijmeegse Nikhef-promovendus Veronica Fabiani speurde op die manier naar aanwijzingen voor donkere materie in protonbotsingen in ATLAS. Die vond ze niet rechtstreeks. Fabiani promoveerde vrijdag op haar werk.

Wel levert ATLAS nu de scherpste schatting van kans dat een higgsdeeltje donkere materie produceert. Die is niet groter dan 13 procent, blijkt uit het meetwerk. Veelbelovend, noemt Du Pree het resultaat. ‘Er liggen voor de natuurkunde super-belangrijke vragen. Hoe krijgen ongrijpbare deeltjes als neutrino’s of eventueel donkere materie hun massa? Daar weten we nog weinig zeker van. Met de schatting van ATLAS begint dit nu een serieus onderwerp te worden.’