De ATLAS-detector op CERN heeft een nieuwe tweemaal betere schatting gemaakt van de zogeheten zelfkoppeling van het higgsdeeltje. Deze gevoeligheid voor zichzelf is de basis voor de manier waarop deeltjes massa krijgen via het zogeheten Higgsmechanisme.
Op de Moriond voorjaarsconferentie, dit jaar volledig online vanwege corona, maakten fysici van ATLAS nieuwe metingen bekend van het gelijktijdig ontstaan van twee higgsdeeltjes bij botsingen van protonen in de LHC-versneller. Zulke dubbelprocessen zijn nog eens een factor duizend zeldzamer dan het ontstaan van een enkel higgsdeeltje.
Door meer metingen te verzamelen en met nieuwe analysetechnieken is het nieuwe resultaat ongeveer tweemaal zo scherp als de vorige schatting van ATLAS uit 2018. Er is geen aanwijzing dat de simpelste vorm van het Higgsmechanisme niet juist is, maar de grootte van een mogelijke afwijking is wel sterk ingedamd.
In 2012 namen ATLAS en het zusterexperiment CMS op CERN voor het eerst het ontstaan van het higgsdeeltje op zich waar. Inmiddels worden ook paren higgsdeeltjes gezien, verraden door de deeltjes waarin die vervolgens uiteenvallen. Nikhef is niet alleen partner in ATLAS, maar onderzoekers van het instituut zijn ook betrokken bij de nieuwe analyses.
Bottom quarks
Voor het nieuwe resultaat bekijkt ATLAS het verval van higgsparen naar twee bottom-quarks en twee fotonen. Uit de metingen in dit kanaal is af te leiden hoe vaak twee higgsdeeltjes samen ontstaan in hetzelfde punt.
Deze zogeheten zelfkoppeling verraadt in detail de manier waarop volgens de theorie van ondermeer Peter Higgs deeltjes massa kunnen hebben. In het gangbare Standaardmodel van de deeltjeswereld hebben elementaire deeltjes geen massa. Dat gebeurt pas door toedoen van een universeel higgsveld, dat het hele universum omvat. Deeltjes zijn zwaar als ze veel van dat veld voelen, en lichter als dat minder is.
Hoe dat precies gebeurt hangt af van de zogeheten higgspotentiaal, een energiefunctie die ongeveer de vorm heeft van een Mexicaanse hoed met een hoge punt en een lagere rand eromheen. Het idee is dan dat bij de oerknal het universum in de punt zit, waar deeltjes geen verschillende massa’s hebben. Massa’s krijgen ze pas als het universum van de wankele positie in de centrale punt naar een decentrale plek in de rand is geschoven.
Mexicaanse hoed
Het mechanisme dat in de jaren zeventig door Peter Higgs en anderen werd bedacht, gaat uit van een simpele paraboolvorm voor de hoed. Met de metingen van de zelfkoppeling is na te gaan of de werkelijkheid echt zo simpel is.
Nikhef-onderzoeker Stefano Manzoni werkte als post-doc op CERN sinds drie jaar aan de zelfkoppeling van de higgs. Sins 2020 werkte hij met verbeterde technieken meer aan deze nieuwe analyse. De komende maanden, zegt hij, richt hij zich met collega’s en studenten op het combineren van dit specifieke verval van een higgspaar met nog andere vervalmogelijkheden die ook bij ATLAS en mede door Nikhef worden bestudeerd.
High-luminosity LHC
Om de higgs-zelfkoppeling echt scherp in beeld te krijgen is het wachten op de verdere verbeteringen aan de LHC-versneller, die op termijn tienmaal zo intensief botsingen gaat produceren. In deze high-luminosity LHC, die na 2027 in bedrijf komt, kan het extreem zeldzame proces steeds beter in beeld worden gebracht en bestudeerd.
