Tijdens de Moriond-conferentie in La Thuile, Italië, hebben onderzoekers van het ATLAS-experiment op CERN de resultaten gepresenteerd van hun onderzoek dat ons meer leert over een van de fundamentele eigenschappen van het Higgs-boson: zijn levensduur.
Het Higgs-boson, in 2012 ontdekt in botsingen bij de Large Hadron Collider (LHC), is verantwoordelijk voor de massa van elementaire bouwstenen van het heelal en daarmee indirect voor de vorming van atomen, planeten en sterren. De levensduur van het Higgs-boson vertelt hoe lang het deeltje bestaat voordat het uiteenvalt in andere deeltjes. Er is een duidelijke theoretische voorspelling van de levensduur, maar het is cruciaal om die te controleren. Een sneller verval zou namelijk kunnen duiden op een overgang naar nieuwe, nog onontdekte deeltjes. Een nauwkeurige meting is een waardevolle en rigoureuze test van het Standaardmodel: bepalen van de eigenschappen van het higgsdeeltje en een indicator voor het bestaan van zogenaamde ‘nieuwe natuurkunde’.
“Het vinden van het higgsdeeltje wordt soms gezien als het slotstuk van het LHC-programma,” zegt PhD-kandidaat Zef Wolffs van Nikhef die nauw betrokken is bij de analyse. “In werkelijkheid markeert deze ontdekking juist het begin van een fascinerende ontdekkingsreis naar de geheimen van dit bijzondere deeltje. Een van de belangrijkste eigenschappen in deze zoektocht is de levensduur van het Higgs boson.”
Higgs-boson (on-shell en off-shell)
Het Standaardmodel voorspelt precies hoe en hoe vaak higgsdeeltjes gemaakt worden in deeltjesbotsingen en hoe we deze in onze experimenten kunnen waarnemen. Een vreemd fenomeen in de quantumtheorie is dat deeltjes met een eindige levensduur niet altijd dezelfde massa hebben. Hoewel de meeste Higgs-bosonen dezelfde massa hebben (het beroemde Higgs-piekje – de zogenaamde ‘on-shell’ Higgs-bosonen) is er een kleine fractie die een massa heeft die veel groter is. Deze Higgs-bosonen noemen we het ‘off-shell’ signaal. Het is de onderzoekers recent gelukt dit minieme ‘off-shell’ signaal te isoleren in het verval van het Higgs-boson in twee W-bosonen.
Het is voor het eerst in tien jaar dat deze analyse gedaan werd en het resultaat is vijf keer nauwkeuriger dan het vorige resultaat. De verhouding van ‘on-shell’ en ‘off-shell’ Higgs-bosonproducties verschaft waardevolle informatie over de levensduur, die met een voorspelde waarde van ongeveer 10^-22 seconden uitzonderlijk kort is. De gemeten waarde van de ‘off-shell’ Higgs-bosonproductie, en dus ook de levensduur, komt overeen met de voorspelling van het Standaardmodel.
Deep neural networks
De onderzoekers hebben door gebruik te maken van geavanceerde machine learning technieken de ‘on-shell’ higgsdeeltjes die uit elkaar vallen in twee W-bosonen beter kunnen isoleren. De ingenieuze techniek die gebruikt is om het uiterst kleine ‘off-shell’-signaal te vinden, is gebaseerd op het fenomeen ‘quantum-interferentie’. Net zoals in het beroemde tweespletenexperiment kunnen processen in deeltjesbotsingen met dezelfde begin- en eindtoestanden elkaar versterken of juist uitdoven. Het ‘off-shell’ Higgs-signaal interfereert destructief met bepaalde achtergrondprocessen die ook twee W-bosonen produceren, wat leidt tot een voorspeld tekort aan events met twee W-bosonen, vergeleken met de voorspelling waarbij er geen ‘off-shell’-productie zou zijn.
Dankzij het duidelijke en eenvoudig te identificeren signaal in de detector ging de meeste aandacht tot nu toe uit naar het H→ZZ vervalkanaal. Dezelfde meting in het H→WW kanaal is veel lastiger omdat er ook neutrino’s geproduceerd worden die de detector verlaten zonder een spoor achter te laten, waardoor men informatie mist. Toch is het de onderzoekers gelukt door gebruik te maken van deep neural networks en door te kijken naar zes verschillende combinaties van productie- en vervalkanalen.
Het vergelijken van de ‘on-shell’ met de ‘off-shell’ H→WW metingen vormt de laatste stap. De compatibiliteit tussen de data en verschillende hypotheses voor de waarde van de breedte (1/levensduur) van het higgsdeeltje is te zien in de figuur. De meest waarschijnlijke waarde van 0,9 MeV vertaalt zich in een levensduur van 7,0 (^+82,1_-5,5) x 10^-22 seconde. Dit is binnen de onzekerheid in overeenstemming met de voorspelling van het Standaardmodel van 1,6 x 10^-22 seconde.
Wolffs: “Hoewel het Standaardmodel hier en daar scheurtjes vertoont die wijzen op een onvolledige beschrijving van ons universum, blijft de Higgs-boson opmerkelijk trouw aan de voorspellingen die al meer dan vijftig jaar geleden zijn gedaan.”
Nederlandse bijdrage
In het internationale onderzoeksteam met onderzoekers vanuit verschillende landen hebben Nikhef-onderzoekers vanuit Nederland een belangrijke bijdrage geleverd, met name promovendi Zef Wolffs, Bryan Kortman, postdocs Matous Vozak en Robin Hayes, en meerdere Nikhef-stafleden.
Meer informatie op de website van ATLAS:
https://atlas.cern
De wetenschappelijke resultaten zijn gepubliceerd op arXiv:
https://arxiv.org/abs/2504.07710
https://arxiv.org/abs/2504.07686