In neuen Ergebnissen, die auf der Konferenz der Europäischen Physikalischen Gesellschaft für Hochenergiephysik (EPS-HEP) in Marseille dieses Jahres vorgestellt wurden, konzentrierte sich die ATLAS-Kollaboration auf einen außergewöhnlich seltenen Zerfall des Higgs-Bosons unter Verwendung der in Phase 3 (Run-3) des Large Hadron Colliders (LHC) gesammelten Daten. Diese Studie bietet tiefe Einblicke, wie sich das Verhalten des Higgs-Bosons mit den Vorhersagen des Standardmodells deckt.
Der ATLAS-Detektor am Large Hadron Collider (LHC).
Quelle: CERN
Das ATLAS-Team des Irfu verfügt über langjährige Erfahrung in der Suche nach dem Higgs-Boson und hat einen bedeutenden Beitrag zur Entdeckung des Higgs-Bosons und anschließend zur Messung seiner Eigenschaften geleistet. Das Team ist stark in diese Analyse des Higgs-Boson-Zerfalls in zwei Myonen involviert, dank seines großen Beitrags und seiner führenden Rolle bei der Rekonstruktion und Identifizierung von Myonen, der Sicherung der Qualität der in Run-3 gesammelten Daten und den Leitfäden für die physikalische Analyse.
Dieser Beitrag ermöglichte es, die Daten von Run-3 (Dreijahreszeitraum 2022–2024) zu nutzen und, kombiniert mit den Daten von Run-2 (Zeitraum 2015–2018), diesen seltenen Zerfall nachzuweisen.
Der untersuchte Prozess ist der Zerfall des Higgs-Bosons in ein Myonenpaar (H→μμ). Trotz seiner Seltenheit – er tritt nur bei einem von 5000 Higgs-Zerfällen auf – bietet dieser Prozess die beste Gelegenheit, die Wechselwirkung des Higgs mit Fermionen der zweiten Generation zu untersuchen und Licht in den Ursprung der Masse über die verschiedenen Generationen zu bringen.
Die Suche nach der Nadel im Heuhaufen
Die Identifizierung dieses seltenen Zerfalls ist eine echte Herausforderung. Für H→μμ suchten die Forscher nach einem kleinen Überschuss von Ereignissen, die sich bei einer Masse von Myonenpaaren von 125 GeV (der Masse des Higgs-Bosons) häufen. Dieses Signal kann leicht hinter den Tausenden von Myonenpaaren verborgen sein, die durch andere Prozesse erzeugt werden ("Hintergrundrauschen").
Um die Empfindlichkeit ihrer Suche zu erhöhen, kombinierten die ATLAS-Physiker die ersten drei Jahre der Run-3-Daten (165 fb-1, gesammelt zwischen 2022 und 2024) mit dem vollständigen Datensatz von Run-2 (140 fb-1, von 2015 bis 2018). Sie entwickelten auch eine ausgefeilte Methode, um die Hintergrundprozesse besser zu modellieren, die aufgezeichneten Ereignisse nach spezifischen Higgs-Boson-Produktionsmodi zu klassifizieren und ihre Ereignisauswahltechniken zu verbessern, um die Wahrscheinlichkeit der Erkennung echter Signale zu maximieren.
Die folgende Abbildung zeigt die Massenverteilung der Myonenpaare, die aus den zwischen 2022 und 2024 gesammelten Daten erhalten und für alle Kategorien kombiniert wurden.
Invariantes Massenspektrum von zwei Myonen mit entgegengesetzter Ladung, beobachtet in den Run-3-Daten für alle kombinierten Analyse-Kategorien. Die Wahrscheinlichkeitsdichtefunktionen (pdf) für Hintergrund und Signal werden aus der kombinierten Anpassung aller Kategorien an die Run-3-Daten erhalten, entsprechend einer Signalstärke von μ = 1,6 ±0,6. Das untere Feld zeigt die angepasste Signal-pdf, normalisiert auf den besten Anpassungswert des Signals, und die Differenz zwischen den beobachteten Daten und dem Hintergrundmodell. Die Fehlerbalken repräsentieren die statistischen Unsicherheiten der Daten.
Bild: ATLAS-Kollaboration/CERN
Nachweis
Bei der vorherigen Suche nach H→μμ unter Verwendung des vollständigen Run-2-Datensatzes sah die ATLAS-Kollaboration ihren ersten Hinweis auf diesen Prozess auf dem Niveau von 2 Standardabweichungen (d.h. die Hypothese, dass das beobachtete Ergebnis nur auf eine Hintergrundfluktuation und nicht auf die Anwesenheit eines H→μμ-Signals zurückzuführen ist, wird bei zwei Standardabweichungen verworfen, was etwa einer Chance von 1 zu 22 entspricht). Das vergleichbare Ergebnis von CMS erreichte eine beobachtete (erwartete) Signifikanz von 3 (2,5) Standardabweichungen.
Heute hat die ATLAS-Kollaboration mit den kombinierten Run-2- und Run-3-Datensätzen den H→μμ-Prozess mit einer beobachteten (erwarteten) Signifikanz gegenüber der Nur-Hintergrund-Hypothese von 3,4 (2,5) Standardabweichungen nachgewiesen. Das bedeutet, dass die Wahrscheinlichkeit, dass das Ergebnis eine statistische Fluktuation ist, weniger als 1 zu 1500 beträgt!
Diese Ergebnisse wurden durch den exzellenten und umfangreichen Datensatz des LHC, die Effizienz und außergewöhnliche Leistung des ATLAS-Experiments und den Einsatz neuer Analysetechniken ermöglicht. Mit weiteren Daten am Horizizon geht die Entdeckungsreise weiter!