ATLAS-experiment krijgt zicht op belangrijk nieuw higgs-verval

11-07-2019

Onderzoekers van de ATLAS-detector op CERN beginnen zicht te krijgen op een zeldzaam nieuw verval van het higgsdeeltje. Ze melden dat donderdag op de deeltjesfysica-conferentie van de Europese fysicavereniging EPS in Gent. Het resultaat is nog maar een hint maar kan op termijn een belangrijke eigenschap van het in 2012 ontdekte higgsdeeltje testen.

Metingen van (in rood) het ontstaan van muonen bij de energie van het higgsdeeltje, nadat alle achtergrondsignalen (blauw) zijn afgetrokken van de data uit de ATLAS-detector. Het signaal is nog niet statistisch significant.

Bij het bekeken proces valt het higgsdeeltje uit elkaar in een muon en een antimuon. Muonen zijn instabiele elementaire deeltjes die tweehonderd keer zo zwaar zijn als het gewone elektron, maar daar verder sprekend op lijken. Daardoor heeft het in theorie een sterkere relatie met het higgsdeeltje, dat andere deeltjes hun specifieke massa geeft. Metingen aan de relatie tussen het higgsdeeltje en muonen waren er tot nog toe niet.

Onderzoekers van het ATLAS-experiment, onder wie fysici van Nikhef, hebben methodes ontwikkeld die alle storende achtergrondprocessen voor muonproductie onderdrukken. Daardoor is er meer gevoeligheid voor de kleine ‘bult’ van het signaal precies bij de energie van het higgsdeeltje, 125 GeV.

Het signaal is statistisch nog niet betekenisvol, en kan gemakkelijk een toevallige variatie in de metingen zijn. Meer metingen moeten uitsluitsel geven.

Het resultaat suggereert wel voor het eerst een meetbare relatie van het higgsdeeltje met wat fysici de tweede generatie in het Standaard Model noemen. Alledaagse materie is gebouwd uit deeltjes in de eerste generatie, het up- en down-quark, het elektron en het elektron-neutrino. Maar daarnaast bestaan in allerlei instabiele materiedeeltjes nog twee generaties: de tweede generatie die gekoppeld is aan het zware elektronachtige muon en een derde generatie rond het nog zwaardere tau-deeltje.

Het Standaard Model.

Eerder waren al wel relaties aangetoond tussen de higgs en de zwaarste tau-generatie in het Standaard Model. In theorie is dat logisch: higgs is het sterkst gekoppeld aan de zwaarste deeltjes. Het ATLAS-experiment legt nu de band bloot van het higgsdeeltje met de lichtere tweede generatie elementaire deeltjes, met daarin het muon, de charm- en strange-quarks en het muon-neutrino.

In theorie zou de koppeling van het higgsdeeltje sterk moeten zijn met het charm-quark uit de tweede generatie, maar metingen daaraan worden tot nog toe overschaduwd door talloze andere quarkprocessen. Het verval naar een muon en een antimuon is veel zeldzamer. ‘Maar wel een veel schoner signaal, dat we steeds beter begrijpen’, zegt promovenda Alice Alfonsi van de Nikhef-ATLAS-groep, die verantwoordelijk is voor de analyses van het achtergrondsignaal.

ATLAS-groepsleider prof. Wouter Verkerke van Nikhef noemt het nieuwe resultaat vooral belangrijk omdat die perspectief op meer biedt. ‘We laten zien dat we deze analyse aankunnen, ook al gaat het om een heel zeldzaam proces. Met veel meer data wordt dit een belangrijk nieuw venster op de higgs. En daaraan wordt gewerkt.’

Het nieuwe verval is gevonden in de meetgegevens die ATLAS de afgelopen jaren verzamelde van higgsdeeltjes die nu en dan kortstondig ontstaan bij protonprotonbotsingen in de grote LHC-versneller op CERN. Het higgsdeeltje is vernoemd naar Peter Higgs, die in de jaren zestig van de vorige eeuw met anderen bedacht dat een speciaal veld alle elementaire deeltjes vertelt welke massa ze hebben.

Bij dat higgsveld hoort het gelijknamige deeltje, dat in 2012 op CERN werd gevonden door ATLAS en het concurrerende CMS-experiment. Zonder dat veld zouden alle deeltjes in het Standaard Model massaloos zijn, terwijl dat in werkelijkheid niet zo is.

‘Schoner signaal dat we steeds beter begrijpen’ – Alice Alfonsi.

Veel van het huidige researchprogramma met de LHC van CERN is gericht op de details van het higgsdeeltje en het higgsmechanisme. Momenteel wordt de LHC-versneller voorbereid op nog intensere protonbundels met nog hogere energie.

Ook detectoren als de immense ATLAS worden tijdens deze upgradeperiode verbeterd en voorbereid op het registreren van nog intensievere botsingen. In 2021 zullen de metingen in Genève worden hervat. Nikhef is nauw betrokken bij het ATLAS-experiment.

Het nieuwe resultaat is statistisch nog lang geen formeel bewijs voor een koppeling van higgs met het muon. Het is zelfs niet uitgesloten dat er uiteindelijk juist geen koppeling wordt gevonden. Dat zou absoluut spectaculair zijn, zegt Verkerke. ‘Geen koppeling met het muon zou haaks staan op alles in het Standaard Model en een keihard bewijs voor nieuwe fysica. Maar zover is het echt nog lang niet.’