Natuurkundigen hebben met de ATLAS en CMS detectoren verbonden aan de Large Hadron Collider (LHC), ’s werelds grootste deeltjesversneller bij Genève, een zeldzaam verval van het Higgs boson waargenomen, waarbij het Higgs boson vervalt in een foton (γ) en een Z boson. Op zich is het niet vreemd dat dit verval is waargenomen, want het wordt voorspeld door het Standaard Model (SM), het model dat in de jaren zeventig werd opgesteld en dat de elementaire deeltjes en de krachten daartussen beschrijft. Alleen is er een verschil tussen hoe vaak dit verval volgens SM zou moeten voorkomen en hoe vaak het in de realiteit is waargenomen.
Gewogen Z-foton (γ) massaverdeling van gebeurtenissen die voldoen aan de H → Zγ-selectie in de meetgegevens. Gebeurtenissen worden gewogen op basis van het verwachte signaal en de achtergrond in een Zγ-massavenster dat 68% van het verwachte signaal bevat. De ononderbroken blauwe curve toont het gemeten signaal plus achtergrondmodel, terwijl de blauwe stippellijn het model (SM) van de achtergrondcomponent toont. Credit: ATLAS Collaboration/CERN
Volgens SM zou H→γZ, zoals het ook wel wordt geformuleerd, 15 keer moeten gebeuren op de 10.000 keer dat een Higgs boson vervalt. Maar wat hebben ATLAS en CMS waargenomen? Daar is een “branching ratio”, zoals het heet, waargenomen van 34 (±11) op de 10.000 keer dat het vervalt, da’s 2,2 keer zoveel. De statistische betrouwbaarheid van de metingen is 3,4σ. Dat is te weinig om te spreken van een wetenschappelijk bewijs dat de SM-voorspelling niet klopt, maar toch geeft het aan dat er mogelijk iets aan de hand is. Het zou kunnen dat het verschil veroorzaakt wordt door wat ze noemen ‘Nieuwe Natuurkunde’, door natuurkunde ‘Beyond Standard Model’ (BSM), door fysische processen die niet beschreven worden door SM.
De deeltjes van het Standaard Model én hun supersymmetrische partners. Credit: CERN /IES de SAR
Tussen 2015 en 2018 werd in de LHC Run 2 uitgevoerd, waarbij protonen met een energie van 13 TeV miljoenen keren per seconde tegen elkaar aanbotsen, precies in het midden van de ATLAS- en CMS-detectoren. Soms ontstaan er daarbij Higgs bosonen, de deeltjes die in 1964 al werden voorspeld en die in 2012 voor het eerst waargenomen werden. De Higgs bosonen zijn de deeltjes die via het alom aanwezige Higgs veld massa geven aan de elementaire deeltjes. Eén van de mogelijkheden van BSM is supersymmetrie, een theorie die een band veronderstelt tussen fermionen (deeltjes met een niet integere spin) en bosonen (deeltjes met een integere spin) – zie de afbeelding hierboven. Met die supersymmetrie zou beter verklaard kunnen worden waarom er zo’n groot verschil is tussen de zwakke wisselwerking (waar dat Z boson één van de krachtdragers van is) en de zwaartekracht, de eerste kracht is maar liefst 10^24 keer zo groot als de tweede kracht. Het zou ook kunnen verklaren waarom de massa van het Higgs boson (125 GeV) zoveel kleiner is dan de energieschaal waarbij de ‘grand unification’ optreedt, het moment dat de natuurkrachten als het ware samensmelten tot één supernatuurkracht, een schaal die ligt bij ∼10^16 GeV.
De CMS detector verbonden aan de LHC. Credit: CERN
Bij het verval van H→γZ ontstaat eerst een Higgs boson, nadat de protonen gebotst zijn, protonen die feitelijk een mix zijn van quarks en gluonen. Het Higgs boson vervalt niet direct in een foton en een Z deeltje, maar eerst in een paar top quarks óf in een paar W bosonen en zo’n paar vervalt dan in een foton en een Z boson. Zo’n Z boson heeft ook niet het eeuwige leven, want hij vervalt al na 3 x 10^-25 seconde, veel te kort om door CMS of ATLAS te worden gezien. Maar het Z boson vervalt in twee elektronen of in twee muonen en díe zijn wel door de detectoren meetbaar. En zo heeft men het zeldzame verval van H→γZ kunnen waarnemen. In juli 2022 begon Run 3 van de LHC en mogelijk bevat die de gegevens om het gemeten verschil van het verval met de voorspelling van SM te bevestigen óf te falsificeren.
Meer over de metingen aan het zeldzame verval van het Higgs boson is te lezen in het vakartikel van G. Aad et al, Evidence for the Higgs Boson Decay to a Z Boson and a Photon at the LHC, Physical Review Letters (2024).
Bron: Phys.org.
