ATLAS test de koppeling van het Higgs-boson aan up-achtige quarks

13 - 11 - 2017


Nikhef-nieuwsbericht

De top quark is het zwaarste deeltje van het Standaardmodel, maar het was lastig om zijn koppeling aan het Higgs-boson op een directe manier te bewijzen. Dit was mede veroorzaakt door het feit dat de productie van een Higgs-boson samen met top quarks relatief zeldzaam is, en tegelijkertijd wordt de zoektocht bemoeilijkt door de relatief grote achtergrondprocessen.
Onderzoekers van de ATLAS-collaboratie hebben nu voor het eerst bewijs gevonden voor de zeldzame koppeling van de top-quark aan het Higgs-boson.

Het Higgs-boson dient als verklaring voor het feit dat alle deeltjes massa hebben, zowel de bosonen (deeltjes met heeltallige spin) als de fermionen (deeltjes met halftallige spin). Tegelijkertijd is bekend dat fermionen (met name de quarks en leptonen in figuur 1) altijd voorkomen in 3 generaties met toenemende massa. De diepere oorzaak van deze ordening van de massa’s is niet volledig begrepen.

Fig.1: Impressie van het Standaardmodel. De eerste rij bevat de ‘up-achtige’ quarks: de up quark, de charm quark en de top quark – in volgorde van toenemende massa. [Bron: Wikipedia]


Bewijs voor de productie van het Higgs-boson samen met top quarks

Voor het bewijs van de productie van het Higgs-boson samen met top quarks (‘ttH’) zijn verschillende vervalskanalen van het Higgsboson gebruikt, zoals getoond in figuur 2. De gecompliceerde eindtoestand in de detector maakte de ontwikkeling van geavanceerde en multi-variabele analysetechnieken noodzakelijk. Uiteindelijk, na het combineren van de resultaten van alle studies, werd een stevig bewijs van 4 sigma gevonden, overeenkomend met een kans van minder dan 1 op 10,000 dat de geobserveerde data veroorzaakt was door een statistische toevalligheid.

 

Fig.2: Het eerste bewijs van ATLAS voor ttH. De combinatie van de verschillende kanalen leidt tot een bewijs van 4 sigma voor ttH productie. [Bron: ATLAS]


Limieten aan het verval van het Higgs-boson naar charm quarks

Niet lang na het eerste bewijs voor de productie van ttH, heeft de ATLAS-collaboratie ook de beste directe limieten geleverd in de zoektocht naar H→cc, het verval van Higgs-bosonen naar charm quarks. Hoewel geen bewijs is gevonden voor een dergelijk verval (zoals ook geïllustreerd in figuur 3), zijn dit wel de beste directe limieten op de productie van H→cc. Samen met het bewijs voor ttH-productie levert dit directe informatie op over de niet-universele koppelingen van de verschillende quark-generaties aan het Higgs-boson.

Fig.3: Eén van de massa-verdelingen die is gebruikt in de zoektocht naar H→cc. Rond 125 GeV is geen bewijs voor H→cc-vervallen gemeten. [Bron: ATLAS]

ATLAS en Nikhef

Terwijl het Higgs-boson op CERN ontdekt was in het verval naar bosonen gedurende Run 1 van de Large Hadron Collider (LHC), levert Run 2 van de LHC een rijkdom aan informatie op over de koppeling van het Higgs-boson aan fermionen. ATLAS heeft nu nieuwe resultaten geleverd aangaande de koppeling van het Higgs-boson aan ‘up-achtige’ quarks, namelijk de top quark en de charm quark.

Nikhef heeft op verschillende manieren bijgedragen aan beide analyses en zal de koppeling van het Higgs-boson aan fermionen blijven testen. Niet alleen door gebruikmaking van ttH en H→cc, maar bijvoorbeeld ook met H→bb (‘down-achtige’ quarks van de derde generatie) en H→µµ (leptonen van de tweede generatie). Door de LHC-data van run-2 verder te analyseren zal ATLAS de kennis over de structuur van het Standaardmodel significant vergroten.

===

Auteurs: Luca Colasurdo, Snezana Nektarijevic, Tristan du Pree, Marko Stamenkovic, Wouter Verkerke, Tim Wolf voor de Nikhef ATLAS groep

Zie ook: