Bewijs voor het verval van het Higgsboson naar b-quarks

6 juli 2017

Fig.1: Impressie van het standaard model. Centraal: het Higgs-boson. Blauw: bosonen. Groen: leptonen. Rood: quarks. [Bron: particle fever]

Het is alweer ruim 5 jaar geleden dat de ontdekking van het Higgs-boson werd bekendgemaakt, 4 juli 2012 op CERN. De ontdekking van het Higgs-boson (centraal in figuur 1) was gedaan door gebruikmaking van paren van W-bosonen, Z-bosonen, en fotonen (blauw in figuur 1) en was later bevestigd met het verval naar tau-leptonen (groen in figuur 1).

Echter, het verval van paren van quarks (rood in figuur 1) bleef vooralsnog onbewezen. Daar is deze week verandering in gekomen, met de bekendmaking van nieuwe resultaten van het ATLAS-experiment. Op de tweejaarlijkse EPS-conferentie (dit jaar in Venetië), heeft het ATLAS-experiment bekendgemaakt dat het verval van het higgsdeeltje naar twee b-quarks (‘H→bb’) is waargenomen met een nauwkeurigheid van meer dan 3 sigma, de statistische standaard om een dergelijke observatie te kunnen claimen.

De zoektocht voor dit verval wordt bemoeilijkt doordat het H→bb proces vele achtergronden heeft. De verdeling van de massa van het paar b-quarks, na het aftrekken van deze achtergronden, is zichtbaar in figuur 2. In de data verschijnt (in het rood) zichtbaar het signaal van paren b-quarks, afkomstig van het verval van Higgsbosonen.

Fig.2: De massaverdeling van de twee gereconstrueerde b-deeltjes, na aftrek van de achtergronden. [Bron: EPS]

In figuur 3 is een samenvatting van de metingen van dit proces, door de jaren heen. Met de meting die gebruikmaakte van data uit 2011+2012 (’Run1’) kon het verval nog niet bewezen worden, maar met de data uit 2016 (‘Run2’) wel. De huidige meting (met precisie van ~30%) komt overeen met de theoretische voorspelling.

Fig.3: ATLAS-resultaten voor H -> bb. De combinatie van de data van 2011+2012 (Run1) en 2016 (Run2) geeft bewijs voor het H -> bb verval, met een nauwkeurigheid van ~30%. [Bron: EPS]

Onderzoekers die in het verleden, heden, en toekomst werkzaam zijn voor Nikhef hebben bijgedragen aan deze belangrijke meting. Bijdragen betreffen zowel de bouw van de ATLAS-detector, het analyseren van de data, alsook de identificatie van langlevende b-quarks, wat van groot belang is voor deze meting.

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. Hopelijk brengen deze metingen dieper inzicht in het hoe en waarom van het standaardmodel van de deeltjesfysica.

Dr. Tristan du Pree, NWO VIDI-onderzoeker bij het ATLAS-experiment op Nikhef, zegt: ”Ik zocht zelf al meer dan vijf jaar geleden naar het H→bb verval, in de tijd van de ontdekking van het Higgsdeeltje op CERN. Het is geweldig dat het verval naar b-quarks nu eindelijk is waargenomen, dit is belangrijk voor het begrip van de deeltjesfysica!”

Prof. Wouter Verkerke, programmaleider van het ATLAS-experiment op Nikhef: “We bestuderen, behalve het verval H→bb, ook de koppelingen aan o.a. top-quarks en W- en Z-bosonen, en we zetten nu nieuwe onderzoekslijnen op voor het verval naar charm-quarks en muonen, waar de komende jaren ook belangrijke resultaten worden verwacht. We zijn nog maar aan het begin van de zoektocht, er is nog veel te ontdekken.”

Meer informatie:

EPS presentatie

ATLAS bericht (English)

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