ENGINEERINGNET.BE - Het Higgs-boson, in 2012 ontdekt in botsingen bij de Large Hadron Collider, is verantwoordelijk voor de massa van elementaire bouwstenen van het heelal en daarmee indirect voor de vorming van atomen, planeten en sterren.
"Deze ontdekking markeert het begin van een ontdekkingsreis naar de geheimen van dit bijzondere deeltje, zoals de levensduur ervan", aldus onderzoeker Zef Wolffs (foto) van het Nederlandse kennisinstituut Nikhef, dat nauw betrokken is bij de analyse.
Het Standaardmodel voorspelt precies hoe en hoe vaak higgsdeeltjes gemaakt worden in deeltjesbotsingen en hoe we deze in onze experimenten kunnen waarnemen. Een vreemd fenomeen in de quantumtheorie is dat deeltjes met een eindige levensduur niet altijd dezelfde massa hebben.
Hoewel de meeste Higgs-bosonen dezelfde massa hebben, de zogenaamde ‘on-shell’ Higgs-bosonen, is er een kleine fractie die een massa heeft die veel groter is.
Deze Higgs-bosonen noemen we het ‘off-shell’ signaal. Het is de onderzoekers gelukt dit minieme ‘off-shell’ signaal te isoleren in het verval van het Higgs-boson in twee W-bosonen.
Het is voor het eerst in tien jaar dat deze analyse is gedaan, en het resultaat is vijf keer nauwkeuriger dan het vorige resultaat.
De verhouding van ‘on-shell’ en ‘off-shell’ Higgs-bosonproducties verschaft waardevolle informatie over de levensduur, die met een voorspelde waarde van ongeveer 10^-22 seconden uitzonderlijk kort is.
De gemeten waarde van de ‘off-shell’ Higgs-bosonproductie, en dus ook de levensduur, komt overeen met de voorspelling van het Standaardmodel.
De onderzoekers hebben door gebruik te maken van geavanceerde machine learning technieken de ‘on-shell’ higgsdeeltjes die uit elkaar vallen in twee W-bosonen beter kunnen isoleren.
De ingenieuze techniek die gebruikt is om het uiterst kleine ‘off-shell’-signaal te vinden, is gebaseerd op het fenomeen ‘quantum-interferentie’.
Processen in deeltjesbotsingen met dezelfde begin- en eindtoestanden kunnen elkaar versterken of juist uitdoven.
Het ‘off-shell’ Higgs-signaal interfereert destructief met bepaalde achtergrondprocessen die ook twee W-bosonen produceren, wat leidt tot een voorspeld tekort aan events met twee W-bosonen, vergeleken met de voorspelling waarbij er geen ‘off-shell’-productie zou zijn.
Dankzij het duidelijke en eenvoudig te identificeren signaal in de detector ging de meeste aandacht tot nu toe uit naar het H→ZZ vervalkanaal.
Dezelfde meting in het H→WW kanaal is veel lastiger omdat er ook neutrino’s geproduceerd worden die de detector verlaten zonder een spoor achter te laten, waardoor men informatie mist.
Toch is het de onderzoekers nu gelukt door gebruik te maken van deep neural networks en door te kijken naar zes verschillende combinaties van productie- en vervalkanalen.
Wolffs: “Hoewel het Standaardmodel hier en daar scheurtjes vertoont die wijzen op een onvolledige beschrijving van het universum, blijft de Higgs-boson opmerkelijk trouw aan de voorspellingen die ruim vijftig jaar geleden zijn gedaan.”
