Determination of the Spin and Parity of the Higgs boson in the WW*->evμv decay channel with the ATLAS detector
Nikos Karasthatis, promovendus aan het Nikhef, verdedigt zijn proefschrift donderdag 25 februari 2016 aan de Universiteit van Twente.
Tot nu toe is het Standaard Model de meest succesvolle theorie om onze kennis over deeltjesfysica samen te vatten. De fundamentele deeltjes, wat de bestanddelen van ons universum zijn, evenals hun interacties via de fundamentele krachten (behalve de zwaartekracht) zijn elegant beschreven in een beknopte wijze. De laatste bouwsteen die wordt voorspeld door het Standaard Model, het Higgs boson, werd afgeschilderd als de ‘heilige graal’ van de deeltjesfysica. Voornamelijk als gevolg van de onsuccesvolle experimentele zoektochten van de afgelopen vijf decennia.
De Large Hadron Collider is ontworpen en gebouwd om zeldzame processen te kunnen produceren over een breed scala van energie, terwijl de detectoren op zijn botsing punten werden gebouwd om, onder andere, het Higgs boson te vinden. Met de medewerking van duizenden wetenschappers en onderzoekers in verschillende velden, werd een belangrijke doorbraak bereikt in de eerste data periode van de LHC: een nieuwe resonantie werd gevonden in de zoektocht voor het voorspelde Standaard Model Higgs boson.
Nauwkeurige metingen werden toegepast om de massa van de resonantie met zo weinig mogelijk onzekerheid meten. De ATLAS en CMS samenwerkingen gecombineerd citeert een gemeten massa. Dit proefschrift richt zich op het verval kanaal met behulp van de verzamelde data gegevens met de ATLAS-detector gedurende 2012 op 8TeV centrum van de massa energie. Dit is één van de ontdekkings kanalen met geciteerde waargenomen significantie van 6,1 standaarddeviaties boven de alleen achtergrond hypothese met een verwachte significantie van 5,8 aan het eind van de run-I data periode. Terwijl de statistische significantie van het resultaat van de massa zoektocht genoeg was om een ontdekking van een resonantie aan te kondigen, moesten aanvullende studies worden uitgevoerd om ervoor te zorgen dat de nieuwe resonantie inderdaad het goed gezochte boson is. Deze studies moeten zich richten op de eigenschappen van deze resonantie, zoals de koppelingen van het deeltje tot overige Standaard Model deeltjes, evenals de spin en pariteit eigenschappen.
Het belangrijkste punt van dit proefschrift is om het onderzoek van de meting van de intrinsieke eigenschappen van het boson te presenteren: de spin en de pariteit quantum getallen. Om de waargenomen resonantie is het Higgs valideren, zijn verschillende scenario’s getest in de data tegen de SM hypothese. De mogelijkheid van de resonantie als een spin-2 graviton is uitgesloten op meer dan 99,9% betrouwbaarheidsniveau. Hetzelfde is het geval voor een spin-resonantie 1, die ook tevens is uitgesloten op meer dan 99,9%. Vervolgens, aannemend dat er geen impulsmoment component betrokken zijn en aangezien de spin-1 en spin-2 modellen zijn uitgesloten, moet het quantumgetal spin-0 zijn.
Een andere interessante scenario dat ook experimenteel een uitdaging is om te testen, is de bepaling van het pariteit quantumgetal. Nu dat het spin quantumgetal is vastgesteld, geven verschillende hypothesen over het pariteit quantumgetal van het Higgs boson aanleiding tot verschillende scenario’s voorbij het SM. De test die wordt uitgevoerd in dit proefschrift tussen de positieve en negatieve pariteit quantumgetallen is exclusief het CP-odd geval. Bovendien is het scenario van een positieve pariteit eigenwaarde als gevolg van bijdragen van de hogere orde termen in de Lagrange voorbij het Standaard Model ook sterk benadeeld.
Ten slotte was een van de meest interessante hier gepresenteerde resultaten het onderzoek van een waargenomen Higgs deeltje met een mengsel van pariteit eigentoestanden, wat wordt gekoppeld aan CP schending in de Higgs sector. Diverse uitgevoerde scans proberen dergelijke modellen te identificeren in de verzamelde gegevens en de mogelijkheid van het waarnemen dergelijk mengsel te kwantificeren. De resultaten tot nu toe komen overeen met de Standaard Model hypothese binnen de onzekerheden, die relatief groot zijn. Tot nu toe zijn alleen grote waarden van het mengen uitgesloten.
Kortom, de Run-I van ATLAS werd met succes afgerond. Een waarneming van een nieuwe resonantie in de zoektocht aar een elektro-Zwakke symmetriebreking, een probleem geformaliseerd in de 1960’er jaren, is bereikt. Het werk in dit proefschrift heeft geholpen om de grenzen van onze kennis en begrip van deeltjesfysica te vergroten. Het laatste ontbrekende deel van de SM puzzel lijkt eindelijk op zijn plaats te zijn gebracht. Met het opnieuw starten van de LHC is Run-II van ATLAS officieel van start gegaan. Met alle upgrades nu op zijn plaats, zijn we -als de Deeltjesfysica gemeenschap- enthousiast over wat de toekomst in petto heeft voor ons.”
Determination of the Spin and Parity of the Higgs boson in the WW*->evμv decay channel with the ATLAS detector (pdf)
De promotie vindt plaats op donderdag 25 februari, om 16.30 in gebouw Waaier van de Universiteit Twente.
Promotor: prof. dr. ing B. van Eijk (Universiteit Twente)
Promotor: prof. dr. G. Tsipolitis (National Technical University of Athens)
Assistant promotor: dr. P. Ferrari (FOM-Nikhef)
Contact: Nikos Karasthatis