Από την ανακάλυψη του μποζονίου Higgs το 2012, οι επιστήμονες στις συνεργασίες ATLAS και CMS στο Large Hadron Collider (LHC) δυσκολεύτηκαν να χαρακτηρίσουν τις ιδιότητές του και να κυνηγήσουν τους διάφορους τρόπους με τους οποίους αυτό το εφήμερο σωματίδιο μπορεί να αποσυντεθεί.
Από την άφθονη αλλά πειραματικά προκλητική διάσπαση έως τα b-quark, έως την εξαιρετικά σπάνια αλλά χαμηλή υποβάθμιση σε τέσσερα λεπτόνια, το καθένα προσφέρει μια διαφορετική οδό για τη μελέτη των ιδιοτήτων αυτού του νέου σωματιδίου. Τώρα, η ATLAS έχει βρει τις πρώτες ενδείξεις ότι το μποζόνιο Higgs αποσυντίθεται σε δύο λεπτόνια (είτε ένα ηλεκτρόνιο είτε ένα ζεύγος muon με αντίθετη φόρτιση) και ένα φωτόνιο. Γνωστή ως “Dalitz decay”, αυτή είναι μια από τις πιο σπάνιες αποσυνθέσεις Higgs boson που έχουν δει ακόμα στο LHC.
Για αυτήν την ανάλυση, οι φυσικοί της ATLAS στοχεύουν μια διάσπαση μποζονίου Higgs με τη μεσολάβηση ενός εικονικού φωτονίου. Σε αντίθεση με το γνωστό σταθερό, μαζικό φωτόνιο, αυτό το εικονικό σωματίδιο έχει συνήθως μια πολύ μικρή (αλλά μη μηδενική) μάζα και αποσυντίθεται αμέσως σε δύο λεπτόνια.
Οι φυσικοί της ATLAS αναζήτησαν το πλήρες σύνολο δεδομένων LHC Run 2 για συμβάντα σύγκρουσης με ένα φωτόνιο καθώς και δύο λεπτόνια των οποίων η συνδυασμένη μάζα ήταν μικρότερη από 30 GeV. Σε αυτήν την περιοχή, οι αποσυνθέσεις με εικονικά φωτόνια θα πρέπει να κυριαρχούν σε άλλες διαδικασίες που αποδίδουν την ίδια τελική κατάσταση. Το ATLAS μέτρησε ένα ρυθμό σήματος μποζόνιου Higgs σε αυτό το κανάλι αποσύνθεσης που είναι 1,5 ± 0,5 φορές την προσδοκία από το πρότυπο μοντέλο. Η πιθανότητα ότι το παρατηρούμενο σήμα προκλήθηκε από διακύμανση στο παρασκήνιο είναι 3,2 σίγμα – λιγότερο από 1 στα 1000.
Με τεράστιες ποσότητες δεδομένων που αναμένονται από το επερχόμενο πρόγραμμα High-Luminosity LHC, η μελέτη σπάνιων Higgs boson decases θα γίνει ο νέος κανόνας. Αυτό θα επιτρέψει στους φυσικούς να προχωρήσουν από την αναφορά στοιχείων για την ύπαρξή τους, για την επιβεβαίωση της παρατήρησής τους και τη διεξαγωγή λεπτομερών μελετών για τις ιδιότητες του μποζονίου Higgs – οδηγώντας σε ολοένα και πιο αυστηρές δοκιμές του Πρότυπου Μοντέλου.
Παρατηρώντας τη διάσπαση του μποζονίου Higgs σε ένα φωτονίο και ένα ζεύγος λεπτονών, θα επιτρέψει στους φυσικούς να μελετήσουν τη συμμετρία της ισοτιμίας φόρτισης (CP). Η συμμετρία CP είναι ένας τρόπος να πούμε ότι η κατοπτρική εικόνα των αλληλεπιδρώντων σωματιδίων, όπου τα σωματίδια αντικαθίστανται από τα αντισωματικά τους, θα πρέπει να μοιάζουν ακριβώς με την αρχική αλληλεπίδραση. Αυτή ήταν μια φυσική υπόθεση μέχρι το 1964, όταν οι φυσικοί που μελετούσαν σωματίδια kaon παρατήρησαν – προς μεγάλη έκπληξή τους – ότι αυτό δεν συμβαίνει στον κόσμο της φυσικής των σωματιδίων. Έκτοτε, οι φυσικοί έμαθαν ότι η παραβίαση της συμμετρίας CP είναι μια υπογραφή της αλληλεπίδρασης της ηλεκτρικής φωνής και την έχουν ενσωματώσει στο πρότυπο μοντέλο.
Αλλά με το μποζόνιο Higgs να αποσυντίθεται σε τρία σωματίδια, δύο από τα οποία είναι φορτισμένα, οι φυσικοί θα μπορούν να εξετάσουν εάν οι αποσυνθέσεις έχουν προτιμώμενη κατεύθυνση – επιτρέποντας στους ερευνητές να βελτιώσουν την κατανόησή τους σχετικά με την προέλευση της παραβίασης της συμμετρίας CP και ίσως ακόμη και να οδηγήσουν σε υπαινιγμούς για νέα φυσική πέρα από το πρότυπο μοντέλο.