Constraints on the Higgs boson total width from on-shell signal-background interference in the $H\to\gamma\gamma$ decay channel with $pp$ collisions at $\sqrt{s}=13$ TeV with the ATLAS detector

In het hart van de subatomaire wereld speelt een deeltje dat bekend staat als het Higgs-boson een unieke rol. Ontdekt in 2012, is het de fysieke manifestatie van een veld dat massa geeft aan andere fundamentele deeltjes. Hoewel wetenschappers meer dan een decennium lang hebben gemeten hoe dit deeltje met anderen interageert, blijft een van de meest basale eigenschappen ervan ongrijpbaar: zijn totale vervalbreedte. In de taal van de deeltjesfysica vertegenwoordigt deze breedte de som van alle manieren waarop het Higgs-boson kan uiteenvallen in andere deeltjes. Volgens het Standaardmodel, de heersende theorie van de natuurkunde, zou het Higgs-boson op zeer specifieke, voorspelbare manieren moeten vervallen, wat resulteert in een totale breedte van slechts 4,1 miljoen elektronvolt. Echter, als het Higgs-boson een geheim verbergt — bijvoorbeeld door te vervallen in onzichtbare deeltjes die onze detectoren niet kunnen zien — zou deze totale breedte groter zijn. Het meten van deze breedte is daarom een directe test van of het Higgs-boson een perfecte match is voor het Standaardmodel of een poort naar nieuwe, onontdekte fysica.

De uitdaging bij het meten van deze breedte is dat het Higgs-boson ongelooflijk kortlevend is. Het bestaat voor zo'n vluchtig moment dat zijn natuurlijke breedte veel te smal is om direct te worden gezien door zelfs de krachtigste detectoren. Het is alsof men de dikte van een menselijke haar probeert te meten door naar een wazige foto van een rijdende trein te kijken; de onscherpte van de meting is duizenden malen breder dan het object zelf. Jarenlang hebben natuurkundigen geprobeerd de breedte indirect af te leiden door te vergelijken hoe vaak het Higgs-boson verschijnt bij zijn normale massa versus hoe vaak het verschijnt bij veel hogere, zeldzamere energieën. Deze methode werkt, maar rust op de aanname dat het Higgs-boson zich bij hoge energieën precies hetzelfde gedraagt als bij normale energieën. Als die aanname onjuist is, kan de meting misleidend zijn.

Een team van natuurkundigen dat werkt met de ATLAS-detector bij de Large Hadron Collider heeft nu een andere aanpak gekozen, een aanpak die dergelijke aannames niet vereist. Ze concentreerden zich op een specifiek, subtiel effect dat optreedt wanneer het Higgs-boson vervalt in twee fotonen. In de kwantumwereld kunnen deeltjes zich als golven gedragen. Wanneer het Higgs-boson wordt gecreëerd en onmiddellijk vervalt in twee fotonen, produceert het een golf die overlapt met de achtergrondgolven van fotonen die worden gecreëerd door andere, niet-Higgs processen. Net zoals twee geluidsgolven kunnen interfereren om een luider of zachter geluid te creëren, interfereren deze deeltjesgolven met elkaar. Deze interferentie vervormt de vorm van de massaverdeling van de twee fotonen, waardoor de piek van het signaal iets naar één kant verschuift. De omvang van deze verschuiving hangt direct samen met de totale breedte van het Higgs-boson. Door deze vervorming te bestuderen, kunnen de onderzoekers de breedte meten zonder te hoeven gissen naar hoe het deeltje zich gedraagt bij verschillende energieën.

Gebruikmakend van data uit protonbotsingen die werden geregistreerd tussen 2015 en 2018, analyseerde het team meer dan 140 inverse femtobarns aan botsingsgebeurtenissen. Deze enorme dataset stelde hen in staat om de distributie van fotonenparen met extreme precisie te bestuderen. Ze verdeelden de data in twee groepen op basis van het momentum van de fotonenparen, een techniek die helpt om het interferentie-effect te isoleren. De onderzoekers vergeleken de werkelijke data vervolgens met computersimulaties die modelleerden hoe de distributie eruit zou zien als het Higgs-boson verschillende breedtes had. Ze vonden dat de data consistent was met de voorspelling van het Standaardmodel, waarbij geen bewijs werd gevonden voor een verborgen, onzichtbare vervalmodus die de breedte zou hebben vergroot.

De studie stelde een nieuwe limiet aan de totale breedte van het Higgs-boson. De onderzoekers concludeerden dat de breedte kleiner is dan 307 miljoen elektronvolt met een betrouwbaarheidsniveau van 95 procent. Dit betekent dat als de breedte groter was geweest, de vervorming in de fotondata te duidelijk zou zijn geweest om te missen. De verwachte limiet, gebaseerd op wat het experiment had moeten kunnen zien als de data perfect waren, was 258 miljoen elektronvolt. Hoewel deze getallen nog steeds ongeveer 75 keer groter zijn dan de voorspelling van het Standaardmodel van 4,1 miljoen elektronvolt, is de meting significant omdat het een directe, on-shell observatie is die niet afhankelijk is van theoretische aannames over de koppelingen van het deeltje. Het biedt een complementaire manier om de eigenschappen van het Higgs-boson te controleren, onafhankelijk van de methoden die in eerdere studies zijn gebruikt.

De precisie van dit resultaat wordt momenteel beperkt door onzekerheden in de theoretische berekeningen van het interferentie-effect en de exacte massa van het Higgs-boson. De onderzoekers merkten op dat de grootste bron van onzekerheid van de theoretische zijde komt, specif de berekening van hoe de interferentie zich gedraagt. Dit suggereert dat toekomstige verbeteringen in de theoretische natuurkunde net zo belangrijk zullen zijn als het verzamelen van meer data. Ondanks de huidige limieten is de methode zelf een triomf. Het bewijst dat wetenschappers de subtiele interferentie van kwantumgolven kunnen gebruiken om een eigenschap te meten die anders verborgen zou blijven door de grenzen van de experimentele resolutie. Dit opent een nieuw pad voor het testen van het Standaardmodel, en biedt een manier om naar nieuwe fysica te zoeken die niet afhankelijk is van dezelfde aannames als andere technieken.

De bevindingen bevestigen dat het Higgs-boson, binnen de huidige meetlimieten, zich gedraagt zoals het Standaardmodel voorspelt. Er is geen teken van het vervallen in onzichtbare deeltjes of andere exotische toestanden die de totale vervalbreedte van het Higgs-boson zouden hebben vergroot. Hoewel de meting nog niet nauwkeurig genoeg is om alle mogelijke nieuwe fysica uit te sluiten, stelt het een robuuste, aannamevrije beperking vast. Naarmate theoretische berekeningen verbeteren en er meer data wordt verzameld, zal deze techniek nog krachtiger worden, waarbij het potentieel heeft om de eerste barsten in het Standaardmodel te onthullen of de veerkracht ervan met ongekende helderheid te bevestigen. Voor nu blijft het Higgs-boson een mysterie in de zin dat zijn breedte nog niet is gemeten met de precisie van een liniaal, maar de schaduw die het werpt op het kwantumlandschap is in kaart gebracht met een nieuw soort licht.