Search for the rare Higgs boson decay H $\to$ Z$\gamma$ in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 and 13.6 TeV

In de uitgestrekte, onzichtbare architectuur van het universum bestaat een fundamenteel veld dat massa geeft aan de deeltjes waaruit alles waar we het over hebben is opgebouwd. Zonder dit veld zouden de bouwstenen van materie met de snelheid van het licht rondzwiepen, onmachtig om samen te klonteren tot atomen, sterren of mensen. Het deeltje dat geassocieerd wordt met dit veld is het Higgs-boson, een ontdekking die in 2012 werd gedaan en die een decennia-oude theorie over hoe het universum werkt bevestigde. Sinds die ontdekking zijn natuurkundigen druk bezig geweest met het meten van de eigenschappen van dit deeltje met extreme precisie, om te controleren of het zich precies gedraagt zoals het standaardmodel van de fysica voorspelt, of dat het kleine barstjes vertoont die zouden kunnen leiden tot nieuwe, onbekende natuurwetten. Een van de moeilijkste manieren om dit te testen is door het Higgs-boson te observeren terwijl het vervalt, of uiteenvalt, in andere deeltjes. Hoewel het meestal uiteenvalt in veelvoorkomende deeltjes, is het ook voorspeld dat het af en toe transformeert in een Z-boson en een foton van licht. Deze specifieke transformatie is extreem zeldzaam en vindt slechts ongeveer één keer in elke duizend vervalprocessen plaats, wat het een zoektocht maakt naar een speld in een hooiberg die enorme hoeveelheden data en geavanceerde instrumenten vereist om te vinden.

Een onderzoeker die werkt met het CMS-experiment bij de Large Hadron Collider in Zwitserland heeft zojuist een enorme zoektocht naar dit zeldzame evenement voltooid. Ze analyseerden een kolossale dataset van botsingen tussen protonen, de minuscule deeltjes die de atoomkernen vormen, die met elkaar werden verbonden bij energieën van 13 en 13,6 biljoen elektronvolt. Deze data, verzameld over meerdere jaren, vertegenwoordigt een totale lichtkracht van 200 inverse femtobarn, een maatstaf voor hoeveel botsingen er hebben plaatsgevonden. Om het Higgs-boson te vinden dat vervalt in een Z-boson en een foton, zocht de wetenschapper naar een zeer specifieke handtekening: een paar geladen deeltjes (ofwel elektronen of muonen) afkomstig van het Z-boson, vergezeld door een enkel, hoogenergetisch foton. Omdat het Z-boson onstabiel is, valt het onmiddellijk uiteen in deze twee geladen deeltjes, waardoor een duidelijk spoor in de detector achterblijft. De uitdaging was dat de achtergrondruis van andere veelvoorkomende deeltjesinteracties enorm is, wat miljoenen gebeurtenissen creëert die bijna identiek lijken aan het signaal waar de wetenschapper naar op zoek was.

Om het signaal van de ruis te scheiden, vertrouwde de onderzoeker niet op één enkele methode, maar bouwde in plaats daarvan een complexe, meerlagige strategie. Eerst sorteerden ze de botsingsgebeurtenissen in verschillende categorieën op basis van hoe het Higgs-boson waarschijnlijk werd gecreëerd. Sommige gebeurtenissen kwamen voort uit de botsing van twee gluonen, de deeltjes die atoomkernen bij elkaar houden, terwijl andere voortkwamen uit de fusie van krachtoverdragende deeltjes of de associatie met andere zware deeltjes zoals topquarken. Voor het meest voorkomende type creatie gebruikten ze geavanceerde computeralgoritmen, bekend als boosted decision trees, om de subtiele verschillen tussen een echt signaal en een achtergrondgebeurtenis te leren. Deze algoritmen analyseerden tientallen kenmerken, zoals de hoeken waaronder de deeltjes uiteenvliegden en de energie die ze met zich meevoerden, om een score toe te kennen die aangaf hoe waarschijnlijk een gebeurtenis het zeldzame verval was dat ze zochten. Ze pasten ook een speciale wiskundige techniek toe om de meting van de deeltjesenergieën te verfijnen, wat effectief het beeld van de data verscherpte om het signaal duidelijker tegen de achtergrond te laten uitkomen.

Nadat al deze filters waren toegepast en de miljoenen gebeurtenissen in dertien verschillende categorieën waren gesorteerd, voerde de onderzoeker een simultane statistische analyse uit om te zoeken naar een kleine overmaat aan gebeurtenissen bij de specifieke massa van het Higgs-boson, die ongeveer 125,38 gigaelektronvolt is. Het resultaat was een meting van de signaalsterkte, die vergelijkt hoe vaak zij de gebeurtenis zagen met hoe vaak het volgens het standaardmodel zou moeten gebeuren. Ze vonden een signaalsterkte van 1,10, wat betekent dat ze iets meer gebeurtenissen observeerden dan voorspeld, maar het verschil was klein genoeg om consistent te zijn met willekeurige statistische fluctuaties. De statistische significantie van deze observatie was 1,9 standaarddeviaties, een maatstaf voor hoe onwaarschijnlijk het is dat het resultaat slechts een toevalstreffer is. In de wereld van de deeltjesfysica vereist een ontdekking een significantie van vijf standaarddeviaties, dus dit resultaat is nog geen bevestigde ontdekking, maar het is een betekenisvolle stap voorwaarts. De onderzoeker berekende ook wat ze op basis van hun simulaties verwachtten te zien, wat een significantie van 2,3 standaarddeviaties was, wat aantoont dat hun werkelijke resultaten zeer dicht bij hun verwachtingen lagen.

De studie bevestigt dat het Higgs-boson zich grotendeels gedraagt zoals het standaardmodel voorspelt, zelfs in dit zeldzame en moeilijk te observeren vervalkanaal. Hoewel de data een lichte opwaartse fluctuatie lieten zien, was dit niet groot genoeg om te claimen dat er nieuwe fysica is gevonden of dat het standaardmodel onjuist is. De onderzoeker hield zorgvuldig rekening met elke mogelijke bron van fouten, van de kalibratie van hun detectoren tot de theoretische berekeningen van hoe vaak deze gebeurtenissen zouden voorkomen. Ze stelden vast dat de onzekerheden in hun metingen werden gedomineerd door de beperkte hoeveelheid beschikbare data, in plaats door gebreken in hun apparatuur of methoden. Dit werk vertegenwoordigt een aanzienlijke verbetering ten opzichte van eerdere zoektochten, waarbij de verwachte gevoeligheid met ongeveer vijftig procent is vergroot door betere triggerstrategieën, meer verfijnde categorisering van gebeurtenissen en verbeterde machine learning-technieken. Door de grenzen van wat gemeten kan worden te verleggen, heeft de onderzoeker het venster voor potentiële nieuwe fysica vernauwd, zelfs als ze de deur er nog niet voor hebben geopend.

De implicaties van deze zoektocht reiken verder dan alleen het tellen van gebeurtenissen. Omdat het verval van het Higgs-boson in een Z-boson en een foton plaatsvindt via een lus van virtuele deeltjes, is het gevoelig voor enige nieuwe, zware deeltjes die weliswaar kunnen bestaan, maar te massief zijn om direct geproduceerd te worden. Als dergelijke deeltjes zouden bestaan, zouden ze de snelheid van dit verval veranderen. Het feit dat de geobserveerde snelheid zo nauw overeenkomt met de voorspelling van het standaardmodel suggereert dat er geen grote, verborgen bijdragen zijn van onbekende deeltjes die dit proces beïnvloeden. De meting wordt echter nog steeds beperkt door statistiek, wat betekent dat met meer data de precisie zal verbeteren en het vermogen om kleine afwijkingen op te merken zal toenemen. De onderzoeker heeft hun data en analyse-instrumenten beschikbaar gesteld aan de bredere wetenschappelijke gemeenschap, om ervoor te zorgen dat dit resultaat gecombineerd kan worden met andere metingen om een nog duidelijker beeld van het Higgs-boson op te bouwen.

Uiteindelijk is dit artikel een getuigenis van de kracht van geduld en precisie in de moderne wetenschap. De onderzoeker heeft geen spectaculair nieuw deeltje gevonden of een plotselinge revolutie in de fysica veroorzaakt, maar ze hebben wel succesvol een zeer moeilijk gebied van de subatomaire wereld in kaart gebracht met meer helderheid dan ooit tevoren. Ze hebben aangetoond dat het Higgs-boson, zelfs in zijn meest ongrijpbare vervalmodi, de regels blijft volgen die door het standaardmodel zijn vastgesteld. De zoektocht gaat door en aangezien de Large Hadron Collider nog steeds draait en data verzamelt, zullen de volgende generaties metingen deze grenzen waarschijnlijk nog verder verleggen, waardoor deze kleine hints van significantie worden omgezet in definitieve antwoorden over de fundamentele aard van de werkelijkheid.