Radiative Higgs decay to $\psi\left(4230\right)$

Diep in de subatomaire wereld binden deeltjes die bekend staan als quarks zich aan elkaar om de protonen en neutronen te vormen die onze fysieke realiteit constitueren. Onder deze zijn de charmquark een zwaardere, instabiele neef die zelden alleen verschijnt, meestal verborgen in kortlevende deeltjes die mesonen worden genoemd. Decennialang hebben natuurkundigen bestudeerd hoe deze deeltjes met elkaar interageren, maar een nieuwere, meer mysterieuze klasse materie is opgekomen: exotische tetraquarks. Dit zijn geen eenvoudige paren quarks, maar complexe structuren die uit vier quarks bestaan die samen gebonden zijn en zich gedragen als één enkel deeltje. Eén dergelijke kandidaat, genaamd ψ(4230), heeft wetenschappers gepuzzeld omdat de interne structuur ervan onduidelijk blijft — het zou een losse molecuul van twee andere deeltjes kunnen zijn of een dicht opeengepakte cluster van vier. Het begrijpen van wat dit deeltje precies is, en hoe het wordt gevormd, biedt een zeldzaam venster op de fundamentele krachten die het universum bij elkaar houden.

In het hart van dit mysterie ligt het Higgsboson, een deeltje dat in 2012 werd ontdekt en dat massa geeft aan andere deeltjes. Natuurkundigen zoeken voortdurend naar manieren waarop de Higgs interageert met verschillende soorten materie, in het bijzonder met de charmquark. Wanneer een Higgsboson vervalt, kan het soms transformeren in een foton, een deeltje licht, en een zwaar quark-antiquarkpaar. Als dat paar onmiddellijk een bekend deeltje zoals het J/ψ-meson vormt, kunnen wetenschappers dit proces meten om iets te leren over de sterkte van de verbinding van de Higgs met charm. De ψ(4230) is echter anders. Omdat het een exotische tetraquark is, zijn de standaardregels voor hoe de Higgs deze creëert niet volledig begrepen. Deze onzekerheid maakt het verval van de Higgs in een ψ(4230) en een foton een moeilijke maar potentieel belonende puzzel om op te lossen.

In een recente studie probeerden onderzoekers te berekenen hoe vaak dit specifieke evenement voorkomt: een Higgsboson dat verandert in een ψ(4230) en een foton. Het team, werkend met gegevens uit deeltjesversnellers, werd geconfronteerd met een aanzienlijke uitdaging. Hoewel ze wisten hoe de Higgs een eenvoudig charm-anticharmpaar creëert, wisten ze niet hoe dat paar zichzelf herstructureert om de complexe ψ(4230) te worden. Om deze kloof te overbruggen, stelden de wetenschappers een praktische methode voor. In plaats van te proberen de complexe interne dynamiek van de tetraquark vanaf nul te modelleren, gebruikten ze een meetbare eigenschap van de ψ(4230) zelf: hoe vaak het vervalt in elektronen en positronen. Deze "leptonische koppeling" fungeert als een datagedreven sonde, waardoor zij de waarschijnlijkheid kunnen inschatten waarmee de Higgs erin slaagt de exotische staat te creëren. Het is een manier om de bekende eigenschappen van het deeltje te gebruiken om te raden hoe het wordt geboren.

De berekeningen toonden aan dat dit verval extreem zeldzaam is. In het standaardmodel van de deeltjesfysica is de kans dat een Higgsboson vervalt in een ψ(4230) en een foton ongeveer vijf op tien miljoen. De onderzoekers ontdekten dat het proces wordt gedomineerd door een "indirect" mechanisme, waarbij de Higgs eerst in twee fotonen verandert, waarvan er één transformeert in de ψ(4230). Een tweede, "direct" mechanisme, waarbij de Higgs de charmquarks direct creëert, speelt een kleinere rol maar is gevoelig voor de specifieke sterkte van de interactie van de Higgs met charm. Omdat de meting van het verval van de ψ(4230) in elektronen momenteel een grote foutenmarge heeft, draagt de uiteindelijke voorspelling voor de Higgs-vervalrate ook een brede onzekerheid met zich mee. Het team schat dat de snelheid zo laag als nul of zo hoog als bijna tien op tien miljoen kan zijn, afhankelijk van de exacte waarde van die elektron-vervalmeting.

De studie onderzocht ook wat er zou gebeuren als de natuurwetten iets anders zouden zijn dan ons huidige begrip. Als de verbinding van de Higgs met de charmquark sterker zou zijn of een andere teken zou hebben dan voorspeld, zou de snelheid van dit verval drastisch kunnen veranderen. De onderzoekers lieten zien dat als de interactiekracht drie keer de standaardwaarde zou zijn maar met een omgekeerd teken, de vervalsnelheid zou kunnen verdubbelen. Deze gevoeligheid betekent dat als toekomstige experimenten bij de Large Hadron Collider dit zeldzame evenement kunnen meten, ze ofwel het standaardmodel kunnen bevestigen of nieuwe fysica kunnen onthullen. Momenteel is een dergelijk verval nog niet waargenomen, en de limieten die door bestaande experimenten zijn gesteld, liggen nog ver boven de voorspelde snelheden. Met de komende High-Luminosity upgrade van de collider, die miljarden Higgsbosonen zal produceren, zal de statistische kracht om dergelijke zeldzame gebeurtenissen te detecteren echter aanzienlijk toenemen.

Uiteindelijk biedt dit werk een routekaart voor hoe te zoeken naar de interactie van het Higgsboson met exotische materie. Door de bekende eigenschappen van de ψ(4230) te gebruiken om het onbekende in te schatten, hebben de onderzoekers een praktisch instrument gecreëerd voor toekomstige ontdekkingen. Hoewel de huidige onzekerheid in de gegevens een definitieve voorspelling verhindert, is de methode zelf robuust. Naarmate experimenten bij faciliteiten zoals BESIII en Belle II de metingen van de eigenschappen van de ψ(4230) verfijnen, zal de onzekerheid afnemen en de voorspelling scherper worden. Tot die tijd gaat de zoektocht door, vertrouwend op de enorme datasets van de volgende generatie colliders om een glimp op te vangen van de Higgs die transformeert in een van de meest raadselachtige deeltjes van de natuur.