ATLAS begint de charm te zien in het higgsverval

Het in 2012 ontdekte higgsdeeltje geeft in theorie materiedeeltjes hun massa, maar experimenteel is dat tot nog toe alleen bewezen voor de allerzwaarste quarks. Met een nieuwe analyse begint het ATLAS-experiment nu ook zicht te krijgen op de koppeling met een lichter quark, het charm-deeltje.

Voorbeeld van een protonbotsing in de ATLAS-detector waarbij een geproduceerd higgsdeeltje vervalt naar twee c-quarks die elk een jet (blauwe kegel) van deeltjes produceren. Rood zijn de sporen van twee muonen. Credit: ATLAS Collaboration.

Op de LHCP2021 conferentie wordt vandaag bekendgemaakt dat die koppeling niet meer dan 8,5 keer groter kan zijn dan de waarde die in het Standaardmodel voorspelt. “Dit is de eerste directe limiet voor higgs naar charm-quarks die met een experiment is gemeten”, zegt Nikhef-fysicus Tristan Du Pree. “In principe laten we zien dat er geen reusachtige afwijkingen van het Standaardmodel kunnen zijn. Die zouden we nu al gezien hebben.”

Du Pree ontwikkelde met zijn team de afgelopen jaren de techniek waarmee het verval van higgsdeeltjes naar twee charm-quarks wordt bekeken in botsingen van protonen in de LHC-versneller op CERN. Nikhef is de Nederlandse partner in het ATLAS-project.

Onlangs ging bij Du Pree’s analyseteam de champagne open bij de eerste vergelijking van de metingen met de voorspellingen, toen bleek dat de analyses goed werken en een rechtstreekse schatting van de higgskoppeling mogelijk was. Nu wordt het resultaat ook openbaar, via de grootste conferentie voor LHC-fysica LHCP2021.

Sleutel bij het begrijpen van het higgsboson en zijn rol in het Standaardmodel is zijn interactie met materiedeeltjes. Quarks en leptonen bestaan er in drie generaties. Alleen van de zwaarste derde generatie materiedeeltjes (tau-lepton en de top- en bottomquarks) is tot nog toe de invloed van het higgsdeeltje echt gemeten.

Grafiek met de resultaten van de metingen met ATLAS. Credit: ATLAS Collaboration.

In theorie gaat de greep van de higgs op materiedeeltjes netjes gelijk op met hun massa. Maar het zou ook anders kunnen uitpakken. De enige manier om uit te vinden wat de natuur doet is via het bestuderen van deeltjesbotsingen waarbij higgsdeeltjes ontstaan, die daarna snel uit elkaar vallen.

In het nieuwe onderzoek is voor het eerst rechtstreeks gekeken naar de invloed van de higgs op de tweede generatie materiedeeltjes, in het bijzonder het charm-quark. De theorie voorspelt hoe vaak een higgsdeeltje uiteenvalt in twee charm-quarks, die zogeheten jets van energie en deeltjes produceren.

In de experimenten is dat verval naar charm-quarks niet gezien. Dat wil niet zeggen dat het verval er niet is, maar dat er een limiet is aan hoe vaak dat verval optreedt. Daarmee is een schatting te maken van de maximale koppeling van het higgsdeeltje naar charm-quarks.

Die blijkt met de huidige foutenmarge zeker honderdmaal kleiner dan de koppeling van het higgsboson met het zwaarste quark, het top-quark. Dit is in lijn met de theorie van het higgsmechanisme.

Tegelijk konden Du Pree en zijn team laten zien dat de metingen wel voor het eerst het voorspelde ontstaan van zulke W- en Z-bosonen laten zien. Dat is een goede controle op de analyses. “W en Z kennen we al uit de vorige eeuw. Maar de meting laat zien dat onze techniek ook bij de LHC-protonenbotser uitstekend werkt”, zegt promovendus Marko Stamenkovic van Nikhef in een Nikhef PAPERCLIP-video. Hij promoveert later dit jaar op de nieuwe analyses. Bron: Nikhef.

Kijk nou, een artikel over het top quark, geschreven door… 5214 auteurs

Credit: ATLAS, CMS Collaborations

Enkele weken geleden verscheen dit artikel:

Combinations of single-top-quark production cross-section measurements and |fLVVtb| determinations at s?=7 and 8 TeV with the ATLAS and CMS experiments

Geen artikel waar je wakker van hoeft te liggen qua nieuwswaarde, maar wel leuk om te vermelden dat er een nieuw record mee is gebroken, namelijk het aantal auteurs van het artikel. Er hebben maar liefst 5214 auteurs meegeschreven aan het artikel, natuurkundigen die betrokken zijn bij de twee grote deletectoren verbonden aan de Large Hadron Collider (LHC), de ATLAS en CMS detectoren. Vorige recordhouder was een artikel van bijna vier jaar terug over het Higgs boson, dat honderd auteurs minder telde. Mmmm, ik ben wel nieuwsgierig hoe zo’n vergadering van auteurs er uit ziet. Ik heb daar trouwens vijf jaar terug al eens over geblogd, toen naar aanleiding van een artikel dat – ahum slechts – 2129 auteurs telde. 🙂 Eh… nog even over die waarneming aan dat top quark, gedaan tijdens Run 1 van de LHC: alle metingen zijn conform het Standaard Model. Dan weet je ’t. Bron: Francis Naukas.

New Scientist organiseert reis naar CERN

Als je deeltjesfysica als een soort tak van sport ziet is deze reis naar CERN misschien wel de Olympische Spelen van de natuurkunde. Het CERN, met zes deeltjesversnellers, heeft wel een aantal records, het is het duurste en grootste door mensen gemaakte bouwwerk op aarde. Dus voor iedereen die hier meer dan gemiddelde interesse in heeft is daarom deze reis die het populair-wetenschappelijk tijdschrift New Scientist begin zomer naar het CERN van 3 tot en met 6 juni a.s. organiseert zowel een bijzondere kans als alternatief reisdoel om dit ‘wonder der techniek’ eens met eigen ogen te aanschouwen. Topwetenschappers in de theoretische en toegepaste fysica geven lezingen, heten de bezoekers welkom, introduceren en begeleiden de bezoeken aan de detectoren zoals de ATLAS en de CMS. Lees verder

Zweedse onderzoekers gaan spitten in LHC-data op zoek naar ‘mediators’ van donkere materie

Een voorstelling van botsingen van quarks en antiquarks, die een mediator creëren, die vervolgens weer met donkere materie reageert. Credit: Doglioni et al.

Een groep Zweedse natuurkundigen van de Lund Universiteit heeft een techniek ontwikkeld om effectief op zoek te gaan naar signalen van ‘mediators’ – deeltjes die met donkere materie kunnen reageren – in de enorme hoeveelheid data die door ’s werelds grootste deeltjesversneller, de 27 km grote Large Hadron Collider (LHC) van CERN bij Genève, is verzameld. In de LHC worden protonen tot bijna de lichtsnelheid versneld en als ze dan botsen worden de deeltjes die vervolgens ontstaan vastgelegd. In 2018 is tijdens Run 2 met de LHC 65 inverse femtobarn aan protonenbotsingen geproduceerd, dat zijn pakweg 13 biljoen (!) protonenbotsingen bij een energie van 13 TeV. De Lund groep, waar Caterina Doglioni één van de leden is, komt met een nieuwe manier om de data van die botsingen te analyseren: in plaats van alle informatie van het experiment op te nemen en vervolgens op een later tijdstip te analyseren, wordt veel van de gegevensanalyses in een korte tijd uitgevoerd, zodat een veel kleinere fractie van de gebeurtenis behouden blijft. Op deze manier zijn de onderzoekers in staat om veel meer gebeurtenissen op te nemen en op te slaan, gebeurtenissen die sporen van nieuwe deeltjes kunnen bevatten. De onderzoekers hopen dat tot die nieuwe deeltjes ook ‘mediator’ deeltjes behoren, deeltjes die een soort van link zijn tussen de gewone deeltjes (protonen en hun bouwstenen, de quarks) en deeltjes donkere materie. Tussen gewone materie en donkere materie zou afgezien van de zwaartekracht geen interactie zijn, maar mediators zouden die interactie wel tot stand kunnen brengen. Dat zou er dan zo uitzien (zie ook de afbeelding bovenaan):

Zo’n mediator zou volgens dus de verbindende schakel zijn tussen gewone en donkere materie. Met de CMS detector, verbonden aan de LHC, zou in het voorjaar al een signaal van zo’n mediator zijn opgepikt, eentje met een massa van meer dan 4,5 teV (zie de zwarte opgaande lijn in de grafiek hieronder). Statistische betrouwbaarheid van deze waarneming: 2,8 sigma, dus niet iets waar natuurkundigen echt opgewonden van worden.

Credit: CMS Collaboration

De verfijnde analyse-technieken van de groep van Doglioni zou het bestaan van zo’n mediator moeten bevestigen. Op dinsdag 23 oktober j.l. eindigden de protonenbotsingen van Run 2 – in december dit jaar start de “Long Shutdown 2 (LS2)”, waarin de LHC gereviseerd wordt en opgekrikt naar een botsingsenergie van 14 TeV, waarna ‘ie in 2021 voor Run 3 weer moet beginnen. In Run 2 is in totaal 160 inverse femtobarn door ATLAS en CMS verzameld, dus voor de Lund groep een enorme hoeveelheid data om in te spitten. Laten we hopen dat het iets oplevert. Bron: Lund Universiteit + A quantum diaries survivor + Francis Naukas.

LHC heeft eindelijk het meest favoriete verval van Higgs bosonen waargenomen

Credit: CERN/ATLAS Collaboration

Vandaag hebben natuurkundigen van de twee grote detectoren ATLAS en CMS verbonden aan de Large Hadron Collider, ’s werelds grootste deeltjesversneller van CERN bij Genève in Zwitserland, bekendgemaakt dat men met die twee detectoren het meest favoriete vervalkanaal van het Higgs boson heeft waargenomen. Volgens het Standaard Model (SM) van de elementaire deeltjes en natuurkrachten vervalt een Higgs boson in 60% van de gevallen na zeer korte tijd in een paar bottom quarks, het één na zwaarste quark dat er bestaat, na het zware top quark. Het Higgs boson werd zes jaar geleden ontdekt met de LHC, maar nu pas heeft men genoeg waarnemingen van zo’n verval gezien om te kunnen zeggen dat het ook daadwerkelijk gebeurt – de statistische betrouwbaarheid van de waarnemingen is 5,4?. In de 27 km lange LHC worden protonen tot bijna de lichtsnelheid versneld en op de plekken van de detectoren komen ze met elkaar in botsing.

Credit: CERN/CMS Collaboration

Dat leidt tot de productie van Higgs bosonen, die na zeer korte tijd weer vervallen. Op de bovenste afbeelding zie je zo’n verval door ATLAS vastgelegd, waarbij een Higgs boson vervalt in twee bottom quarks en een begeleidend W boson in een ? (muon) en ? (neutrino) vervalt. De afbeelding eronder toont een verval zoals waargenomen door CMS, waarbij de protonenbotsing (pp) leidt tot het ontstaan van een Z boson en Higgs boson (H), waarbij het Z vervalt in een positron-electron paar en H in een paar bottom quarks. Grote vraag is natuurlijk waarom het zes jaar heeft geduurd voordat dit vervalkanaal, dat zoals gezegd het meest favoriete kanaal van het Higgs boson is om in te vervallen, is waargenomen. De reden is dat er heel veel manieren zijn om Higgs bosonen bij protonenbotsingen te produceren en die dan weer in bottom quarks te laten vervallen. Door die overvloed aan manieren is het erg lastig om het signaal boven de achtergrondruis uit te laten komen. Een veel minder vaak voorkomend vervalkanaal, zoals het verval in paren fotonen, is daarom veel vaker waargenomen.

Het Higgs deeltje is een manifestatie van het alomaanwezige Higgs veld. Dat veld geeft niet alleen massa aan de elementaire deeltjes, maar in theorie zou het ook kunnen reageren op donkere materie, iets dat buiten SM valt. Door onderzoek zoals nu gebeurt door ATLAS en CMS hoopt men daar meer te weten over te komen. Bron: CERN.

CMS heeft in 2016 geen 750 GeV difoton hobbel gezien [ATLAS-update]

Credit: CMS Collaboration

De 38e International Conference on High Physics (ICHEP) in Chicago is gisteren begonnen en zojuist kregen we de eerste resultaten te zien, die met de CMS detector van de Large Hadron Collider (LHC) in 2016 tijdens Run 2 (botsingsenergie tussen de protonen: ?s=13 TeV) zijn behaald. Na 12,9 inverse femtobarn aan gegevens blijkt CMS géén hobbel te hebben gezien bij 750 GeV, waarbij twee fotonen (??) ontstaan – ‘No significant excess is observed over the standard model predictions‘. Eind vorig jaar hadden CMS én ATLAS nog een hobbel bij 750 GeV gezien, maar die blijkt in 2016 bij meer botsingen – bijna vier keer zo veel als in 2015 – geheel verdwenen te zijn.

Vanavond is een artikel gepubliceerd met de resultaten, dat hier te vinden was. Morgen is pas de lezing over de resultaten, dus het was best wel vreemd dat het artikel vandaag al te zien was. Toen ik zojuist weer keek om een afbeelding bij de blog te plaatsen zag ik dat van het artikel alleen nog maar de abstract te lezen is, zónder het resultaat te noemen – de afbeelding hierboven kwam ik op Twitter tegen, iemand die ‘m nog net op tijd heeft kunnen scannen. 😀 Kennelijk was de publicatie te vroeg en heeft men snel ingegrepen. Helaas pindakaas, de boodschap is al de wereld ingestuurd: CMS heeft geen 750 GeV difoton hobbel gezien. Ehh…. over de hobbel zijn sinds december 2015 maar liefst 540 theoretische artikelen geschreven (zie afbeelding hieronder). Mmmmm, wat gaat daarmee gebeuren?

Morgen zal ook ATLAS met z’n resultaten komen, maar de verwachting is dat ook die niets gezien heeft. Positief bericht: het in 2012 tijdens Run 1 (botsingsenergie tussen de protonen:?s=7 en 8 TeV) ontdekte Higgs boson is héél goed door CMS en ATLAS gezien, zoals je hieronder kunt zien – de hobbel bij 126 GeV.

Credit: CMS Collaboration

Bron: Francis Naukas. [Update 5 augustus 2016 16.30 uur] Zojuist zijn ook de 2016 resultaten van Run 2 met ATLAS gepubliceerd. Bottom-line van de resultaten: “At the mass and width corresponding to the largest deviations from the background-only hypothesis in the 2015 data, no large excess is observed in the 2016 data. The excess at an invariant mass of 750 GeV as seen in the 2015 data is therefore not confirmed with the 2016 data. The compatibility of the 2015 and 2016 datasets, assuming a signal with mass and width given by the largest 2015 excess, is on the level of 2.7 sigma. This suggests that the observation in the 2015 data was an upward statistical fluctuation.” Hieronder de grafiek van ATLAS met de waarnemingen, zónder excess bij 750 GeV. Een bevestiging dus van de CMS-resultaten.

Credit: ATLAS Collaboration

En hoe was de stemming bij de ATLAS lezing op ICHEP?


😀
Bron: ATLAS.

Zoem zoem: is de 750 GeV difoton hobbel toch ruis?

De afgelopen dagen ploppen er geruchten op dat de 750 GeV difoton hobbel, een lichte ophoping van botsende protonen bij een energie van 750 GeV die in twee fotonen uiteenvallen, wel eens statistische ruis zou kunnen zijn. Vorig jaar december maakten we voor het eerst kennis met de hobbel, die zowel door de ATLAS- als CMS-detector verbonden aan de Large Hadron Collider waargenomen was. Vorig jaar was de LHC na een opknapbeurt, die twee jaar had geduurd, weer in gebruik genomen – Run 2, waarbij protonen met een energie van 13 TeV tegen elkaar knallen en vervallen in een waterval van deeltjes. Op basis van de eerste 4,2 inverse femtobarn aan waargenomen botsingen zag men een lichte hobbel bij 750 GeV – onlangs nog bevestigd op basis van de 2015 gegevens – een hobbel ten opzichte van de verwachte waarde (zie afbeelding hierboven). Was de hobbel echt, dan zou het wellicht kunnen wijzen op het bestaan van een deeltje dat niet past in het ‘Standaard Model’, h

Physical Review Letters publiceert vier artikelen over de 750 GeV Difoton hobbel

Over de ‘hobbel’ (Engels: bump) die door de CMS- en ATLAS-detectoren van de Large Hadron Collider vorig jaar tijdens de eerste fase van Run 2 gezien is, waarbij telkens twee fotonen van bij elkaar 750 GeV energie ontstaan (de groene lijntjes in de afbeelding hierboven), zijn inmiddels al 348 verklarende artikelen geschreven en op de arXiv ((De

Video: David Kaplan (Particle Fever) over de 750 GeV difoton hobbel

Een botsing van protonen waargenomen door CMS (credit: CERN)

De natuurkundige David Kaplan (Johns Hopkins University), bekend van de film Particle Fever, die hij geproduceerd heeft, gaat in de korte video hieronder in op de hobbel, die met de ATLAS- en CMS-detectoren van de Large Hadron Collider vorig jaar tijdens run 2 waargenomen, waarbij telkens twee fotonen ontstaan die samen een energie van 750 GeV hebben, mogelijk wijzend op een nieuw deeltje van die massa. Sinds de eerste bekendmaking in december dat ze die hobbel hebben gezien hebben we er ongeveer een ziljoen blogs aan gewijd – de dames en heren theoretici hebben er tot nu toe 335 wetenschappelijke artikelen aan besteed, een ware difoton-diarree. Half maart kwam vanuit het Italiaanse la Thuile de melding dat met nog wat extra data en betere analyses de hobbel nog beter te zien was. Bij de CMS en ATLAS zijn sinds ruim een week de protonenbotsingen weer herstart (zie afbeelding hierboven) [1]waarbij opgemerkt dat dit nog botsingen betreft die bedoeld zijn door testen van de versneller en de experimenten. Volgens de planning beginnen de echte protonenbotsingen, die meetellen voor run 2 op … Continue reading, dus de grote detectoren gaan binnenkort weer data verzamelen, zodat we mogelijk deze zomer te horen krijgen of de hobbel echt is of niet en zo ja of dit het eerste teken is dat we zien van nieuwe natuurkunde, natuurkunde ‘Beyond Standard Model’ (BSM). De verwachting is dat ze dit jaar 25/fb aan data zullen verzamelen, da’s acht keer meer data dan in 2015. We wachten samen met Kaplan geduldig af wat dat voor moois op gaat leveren.

:bron: Bron: Quanta Magazine.

References[+]

References
1 waarbij opgemerkt dat dit nog botsingen betreft die bedoeld zijn door testen van de versneller en de experimenten. Volgens de planning beginnen de echte protonenbotsingen, die meetellen voor run 2 op maandag 25 april. Astroblogs-lezer en CMS-natuurkundige Tristan du Pree meldt mij dit, waarvoor dank!