ATLAS-experiment ziet hints van nieuwe generatie higgsverval

24 juli 2020

Het ATLAS-experiment heeft in zijn metingen voorzichtige aanwijzingen gevonden dat het higgsdeeltje naar twee muonen kan vervallen. Daarmee zou een heel nieuw segment van de deeltjesbouwdoos meetbaar verbonden zijn aan het higgsdeeltje.

Het in 2012 ontdekte higgsdeeltje is het experimentele bewijs voor het bestaan van een veld, het higgsveld, dat andere deeltjes hun massa dicteert. Sinds die ontdekking wordt met detectoren als ATLAS (deels Nikhef) en de concurrerende CMS (geen Nikhef) gekeken hoe dat higgsveld deeltjes massa geeft.

Twee muonen ontstaan uit een higgsdeeltje in de ATLAS-detector op CERN.

In theorie loopt de koppeling van het higgsveld met deeltjes rechtstreeks op met hun massa. Alleen metingen kunnen uitwijzen of dat ook echt zo werkt.

De koppeling is tot nog toe alleen nauwkeurig gemeten voor de zwaarste derde generatie deeltjes van het Standaardmodel, het taudeeltje en het het top- en bottomquark. ATLAS publiceert nu de eerste resultaten van metingen voor een van de iets lichtere tweede generatie deeltjes: het muon. Daartoe is gekeken hoe higgsdeeltjes die in protonbotsingen in de LHC-versneller op CERN in Genève ontstaan, in twee muonen vervallen.

Dat verval is uiterst zeldzaam, slechts ongeveer 0,2 procent van alle muonenparen in de detector zal ervan afkomstig zijn. Verreweg de meeste muonparen ontstaan op andere manieren. In de analyse is die achtergrond nu met geavanceerde technieken weggerekend voor afzonderlijke productiemechanismen van het higgsdeeltje. Vooral Nikhef-promovenda Alice Alfonsi en haar begeleider Wouter Verkerke hebben daaraan gewerkt.

De muondetectoren in ATLAS zijn mede door Nikhef ontworpen en gebouwd. Ook in het opsporen (reconstructie) van muonsporen in de data speelt de Nederlandse ATLAS-groep een aanzienlijke rol. Op de sporen in de detector worden de fysische analyses gebaseerd.

Wat na de berekeningen overblijft is een eerste aanwijzing voor het verval naar twee muonen vanuit een higgsdeeltje. Het resultaat is statistisch nog niet heel sterk, erkennen de onderzoekers ook: twee sigma, en kan dus nog steeds een toevallige uitschieter zijn.

Dit is wel het uiterste dat uit de huidige ATLAS-data te halen is, zegt Alice Alfonsi. “Het resultaat is zelfs meer dan we durfden te verwachten.”

Het Standaardmodel van de deeltjesfysica, met drie generaties materiedeeltjes, plus de krachtdeeltjes en het higgsboson.

De ATLAS-collaboratie is in een eigen nieuwsbericht opgetogen over het voorlopige resultaat. Dat is, heet het, hoopgevend dat de koppeling van het higgsveld met de tweede generatie inderdaad in de detector kan worden bestudeerd. Daartoe moeten wel veel meer data worden gegenereerd en geanalyseerd. Het resultaat is inmiddels online op Arxiv gepubliceerd.

Het resultaat komt aan de vooravond van de jaarlijkse ICHEP-conferentie voor deeltjesfysica, die dit jaar geheel online plaatsvindt vanwege corona. Het evenement begint volgende week. Mogelijk komt ook het CMS-experiment op ICHEP metingen van higgs naar twee muonen.

De ATLAS-groep van Nikhef doet ook onderzoek naar het verval van higgs naar het charm-quark, dat ook behoort tot de tweede generatie in het Standaardmodel.