Das Higgs-Boson sieht in den Daten von 2016 Standard aus • Igor Ivanov • Wissenschaftsnachrichten zu "Elementen" • Higgs-Boson, Suche nach neuer Physik, Elementarteilchenphysik

Das Higgs-Boson sieht in den Daten 2016 standardmäßig aus

Abb. 1. "Alte Bekanntschaft" in den Daten 2016: Die Verteilung von Zwei-Photonen-Ereignissen durch die invariante Masse, wenn der Hintergrund subtrahiert wird, zeigt einen glatten Higgs-Peak mit einer Masse von 125 GeV. Grafik von cms-results.web.cern.ch

Auf der Konferenzreihe Moriond 2017, die im März stattfand, wurden erstmals die Ergebnisse des Large Hadron Collider vorgestellt, die in allen Statistiken für das Jahr 2016 enthalten sind. Das Higgs-Boson wird traditionell in die Liste der Themen aufgenommen, auf die besondere Aufmerksamkeit gelenkt wurde. Vor fünf Jahren am Collider eröffnet, wandelte sich das Higgs-Boson von einem Selbstzweck in ein Forschungswerkzeug: Mit seiner Hilfe versuchen Physiker nun, Hinweise auf lang ersehnte Physik außerhalb des Standardmodells zu finden. Das Standard-Modell hat sich jedoch erneut bewährt, diesmal mit den Higgs-Daten 2016.

Vorgeschichte

Im Jahr 2012 wurde das Higgs-Boson am Large Hadron Collider entdeckt. Die ganze Ära der Suche, die fast ein halbes Jahrhundert dauerte, wurde durch eine neue Ära ersetzt – eine gründliche Studie des Higgs-Bosons. Dieses Boson ist ein Teilchen ganz anderer Art als alles, was wir jemals in der Mikrowelt gesehen haben, und deshalb muss es experimentell entlang und quer studiert werden.Viele Theoretiker glauben ernsthaft, dass der Higgs-Sektor unserer Welt nicht so einfach ist wie im Standardmodell, aber viel reicher. Darüber hinaus können sich hinter diesem Boson ganze Welten unbekannter Elementarteilchen verbergen, zu denen andere Experimente unempfindlich waren und die wir nun mit dem "Higgs-Instrument" untersuchen können. All dies hält die Physiker in Atem und auf der Suche nach neuen Wegen, die Mikrowelt auf bisher unbekannte Weise zu erforschen.

Abb. 2 Die kürzeste Einführung in das Higgs-Boson. Abbildung von Igor Ivanov

Der Vorteil des Higgs-Bosons als Werkzeug besteht darin, dass das Standardmodell eindeutig und deutlich seine verschiedenen Eigenschaften vorhersagt: die Optionen und Wahrscheinlichkeiten des Zerfalls, den Querschnitt seiner Geburtsvorgänge, die Intensität seiner Assoziation mit anderen Teilchen. Eine Zusammenfassung dieser im SM vorausgesagten Eigenschaften findet sich auf der Higgs-Boson-Seite mit einer Masse von 125 GeV: Erwartungen des Standardmodells. Für Physiker wurde er zu einem vertrauten Teilchen, das vom Large Hadron Collider in Massen produziert wird. Aber da die experimentelle Studie des Higgs-Bosons gerade erst begonnen hat,wir können auf jeden Schritt durch Entdeckung gewartet werden – es genügt, einen statistisch signifikanten Unterschied von den Vorhersagen des SM in irgendeiner dieser Mengen zu entdecken.

Zuerst, in den Jahren 2012-2013, als die Statistiken noch klein waren, tauchten hier und da Hinweise auf etwas Ungewöhnliches auf und verschwanden: Sehen Sie sich unsere Higgs News für diese Jahre an. Da jedoch Lauf 1 die Daten analysierte, verschwanden diese Abweichungen. Die endgültigen ATLAS- und CMS-Daten zu allen Run-1-Statistiken, die 2016 veröffentlicht wurden, zeigten ein enttäuschend standardisiertes Bild des Higgs-Bosons. Eine Zusammenfassung dieser Ergebnisse in der am meisten komprimierten Form ist in Abb. 3

Abb. 3 Eigenschaften des Higgs-Bosons nach den Ergebnissen der LHC-Lauf-Session 1. Abbildung von Igor Ivanov

Als der LHC eine Rekord-Energie von 13 TeV-Kollisionen erzielte, stieg die Rekrutierungsrate der Higgs-Statistik mehrfach. Mitte letzten Jahres wurden die auf Basis der Leuchtkraft 12-15 fb erhaltenen Run-2-Daten auf der Internationalen Konferenz ICHEP 2016 veröffentlicht.−1 (Siehe die ICHEP 2016 News Details: Das Higgs-Boson ist in den neuen Daten und ICHEP 2016 perfekt sichtbar: Dem "Portrait" des Higgs-Bosons wurden neue Akzente hinzugefügt. Das Bild als Ganzes sah ebenfalls ziemlich normal aus: Alle gemessenen Merkmale, mit Ausnahme des ttH-Kanals der Geburt, innerhalb der Fehler stimmten mit den Vorhersagen des SM überein.Der ttH-Prozess zeigte eine leichte Abweichung, die jedoch nicht zu viel Begeisterung verursachte.

Dennoch gibt es immer die Option, dass das Higgs-Boson wirklich helle Entdeckungen birgt, aber erst sichtbar werden, wenn die Fehler reduziert werden. Daher ist eine Reihe von Statistiken sehr wichtig für die Higgs-Physik: Je mehr Daten, desto genauer messen wir die Eigenschaften des Bosons und die selteneren Prozesse mit seiner Beteiligung werden wir bemerken können. Die akkumulierte Lauf 2 Statistik war bisher 36 fb−1das übersteigt dreimal die Menge der Daten des letzten Sommers und deckt alle Statistiken von Lauf 1 bedeutend ab. So waren die Physiker bereit, hier Hinweise auf Phänomene zu sehen, die vorher nicht gesehen werden konnten.

Die Berichte über die Higgs-Boson-Eigenschaften, die auf den Konferenzen von Moriond EW und Moriond QCD, zwei wichtigen Frühjahrskonferenzen zur Teilchenphysik, erstellt wurden, ergänzten sich gegenseitig. Sie zeigten neue vorläufige Ergebnisse für verschiedene Kanäle der Bosonenproduktion und des Zerfalls sowie für die Untersuchung einiger seiner Eigenschaften. Nicht alle dieser Ergebnisse basieren auf vollständigen Statistiken zu Lauf 2; In einigen Fällen, in denen die Analyse noch nicht abgeschlossen ist, haben sich die Physiker auf Daten beschränkt, die erst im letzten Frühjahr und Sommer oder sogar Daten aus dem Jahr 2015 gesammelt wurden.Im Folgenden listen wir die Punkte des Higgs-Forschungsprogramms auf, die vom Update betroffen waren.

Zerfall H → γγ

Die CMS-Kollaboration zeigte erstmals die Ergebnisse der vollständigen Run-2-Statistik (Publikation CMS-PAS-HIG-17-015), siehe Abb. 1. ATLAS hat sich darauf beschränkt, die Ergebnisse des letzten Sommers zu wiederholen (Veröffentlichung ATLAS-CONF-2016-067). Beide Messungen innerhalb der Fehlergrenzen stimmen mit dem Standardmodell überein.

Beachten Sie eine signifikante Subtilität. Die Schlussfolgerung, ob sich das Higgs-Signal von den CM-Vorhersagen unterscheidet, basiert auf den komplexen Berechnungen des Higgs-Boson-Herstellungsquerschnitts bei der Protonenkollision. Nun vergleichen die Experimentatoren ihre Daten mit den Vorhersagen, die in der dritten Ordnung der Störungstheorie (Next-to-Next-to-Leading-Order, NNNLO) gezählt werden, im Gegensatz zur zweiten Ordnung (NNLO), die in Laufzeit 1. Gewöhnlich geben solche fernen Ordnungen bei der Zersetzung sehr kleine Additionen, aber für den Produktionsquerschnitt der Higgs-Bosonen beim Zusammenfluß von zwei Gluonen betrugen sie einen festen 10%. Diese Berechnungen wurden vor kurzem, im Jahr 2015, abgeschlossen, und sie haben einmal mehr gezeigt, dass die superkomplexe Berechnung von Tausenden von Diagrammen keine Laune gelangweilter Theoretiker ist, sondern eine Frage, die wirklich für die korrekte Interpretation von experimentellen Ergebnissen notwendig ist.

Zerfall von H → ZZ * → 4 Leptonen

ATLAS legt vorerst keine neuen Daten offen und beschränkt sich auf die letztjährigen Ergebnisse (ATLAS-CONF-2016-079). CMS zeigte Run 2 Daten auf Statistiken 35,9 fb−1. Der Higgs-Peak ist auf der Verteilung der vier Leptonen durch die invariante Masse perfekt sichtbar (Abb. 4); vergleiche diese Verteilung mit dem Ergebnis von 2013 oder mit den Vorjahresdaten (Abb. 3 in den ICHEP 2016 News: Das Higgs-Boson ist in den neuen Daten deutlich sichtbar).

Abb. 4 Verteilung auf die invariante Masse von vier Leptonen in den CMS Run 2 Daten. Punkte – experimentelle Daten blaues Histogramm – der Beitrag von Hintergrundprozessen, rotes Histogramm – Der Beitrag des Higgs-Bosons. Bild von cms-results.web.cern.ch

Die Größe des Higgs-Signals war \ (\ mu_ {ZZ} = 1 {,} 05 ^ {+ 0 {,} 19} _ {- 0 {,} 17} \) in Bezug auf die Vorhersagen des SM. Der Higgs-Peak in diesem Kanal ist so klar, dass das CMS an seiner Position die Masse des Bosons gemessen hat: m = 125,26 ± 0,20 ± 0,08 GeVwo statistische und systematische Fehler getrennt angegeben werden. Diese neue Dimension ist allein! – Übertroffen in Genauigkeit das kombinierte Ergebnis von ATLAS und CMS auf allen Kanälen in den Run 1-Daten.

Darüber hinaus berichtete CMS über die Analyse der Winkelverteilung beim Zerfall des Higgs-Bosons in 4 Leptonen (CMS-PAS-HIG-17-011). Es widerspricht auch nicht den Erwartungen der SM, die es ermöglichten, Beschränkungen für hypothetische anomale Varianten der Verbindung zwischen dem Higgs-Boson und den Z-Bosonen zu etablieren.Wir betonen, dass der Zerfallskanal für 4 Leptonen so selten ist, dass die Detektoren bisher nur eine Handvoll von Ereignissen gesehen haben, und es wäre ein wenig sinnvoll, auf ihnen multidimensionale Verteilungen aufzubauen. Jetzt liegt die Anzahl der registrierten Ereignisse in der Größenordnung von hundert, und aus dieser Statistik ist es bereits möglich, detailliertere Informationen zu extrahieren.

Kanalgeburt ttH

Die gemeinsame Geburt des Higgs-Bosons und eines Paares von Top-Anti-Anti-Quarks ist heute vielleicht der interessanteste Prozess, an dem das Higgs-Boson beteiligt ist. Wegen seiner Seltenheit erwarteten die Physiker nicht, diesen Prozess in den Run-1-Daten zu sehen, jedoch erschien er in den Daten beider Kollaborationen mit einer Intensität von 2-3 mehr als der vorhergesagte SM. Diese Abweichung wurde als ttH-Anomalie bezeichnet und stieß bei den Theoretikern auf großes Interesse. Außerdem steigt im Übergang von 8 auf 13 TeV die Wahrscheinlichkeit dieses Prozesses fast um das Vierfache, und es stellte sich heraus, dass die ersten Ergebnisse der Run-2-Sitzung diese Anomalie nicht vereitelten. Daher warteten die Forscher ungeduldig auf das LHC-Urteil 2016.

Wir sagen sofort, dass das endgültige Urteil noch nicht gefällt: Die Analyse aller Varianten des Zerfalls eines solchen Teilchensatzes erwies sich als zu mühsam. ATLAS hat wiederum keine neuen Daten dazu geliefert.Aber CMS hat eine unangenehme Überraschung vorbereitet. Nach den Ergebnissen der Untersuchung einiger spezifischer Zerfallskanäle stellte sich heraus, dass der ttH-Prozess das CM nicht nur nicht überschreitet, sondern sogar erreicht (CMS-PAS-HIG-17-003). Besonders entmutigend ist die Option, wenn das im ttH-Kanal geborene Higgs-Boson in b-anti-b-Quarks zerfällt (CMS-PAS-HIG-16-038). Da ist dieser Prozess überhaupt nicht sichtbar – eine formale Analyse der Daten ergibt ein negatives Ergebnis für seine Wahrscheinlichkeit! – obwohl er nach allen Berichten hätte kommen sollen. Dies bedeutet, dass, selbst wenn in anderen Fällen des Zerfalls ein gewisser Überschuss zu sehen sein wird (wie zum Beispiel in einem Multilepton-Kanal in den Daten des gleichen CMS, CMS-PAS-HIG-17-004), das kombinierte Ergebnis zu sein scheint wird nicht viel anders sein als CM.

In Abb. 5 zeigt die derzeit eher verwirrende Situation mit der Geburt von tth in verschiedenen Kanälen. Die ATLAS- und CMS-Daten unterscheiden sich, die Daten auf verschiedenen Kanälen innerhalb einer Zusammenarbeit sind ebenfalls sehr unterschiedlich. Ihre Assoziation "mit dem Auge" ergibt etwas um eins und bestätigt in keiner Weise die ursprüngliche tth-Anomalie (die oben angegebene Zahl). Vielleicht ist das einzige, das auf der Grundlage dieser und anderer ähnlicher Daten sicher gesagt werden kann, dass die Physiker immer noch nicht in der Lage sind, die Geburtsvorgänge eines Top-Quark-Paares, begleitet von anderen Teilchen, zu analysieren.Hier ist viel zu tun, aber es scheint, dass ein weiteres Rätsel des Colliders geschlossen wird. Wir warten jedoch auf offizielle Daten von ATLAS und CMS.

Abb. 5 Die Intensität des ttH-Prozesses im Vergleich zu den Vorhersagen des Standardmodells in den Daten beider Kollaborationen bei der Verarbeitung verschiedener Kanäle des Higgs-Boson-Zerfalls. Von Nicolas Chanon Rede auf der Moriond QCD-Konferenz.

Seltene Prozesse

Zusätzlich zu jenen Prozessen, in denen das Higgs-Boson deutlich sichtbar ist, versuchen Physiker, seltene Varianten seiner Entstehung und seines Zerfalls zu registrieren. So stellte die ATLAS-Kollaboration die Ergebnisse zweier solcher Prozesse vor, die in allen Statistiken des zweiten Laufs gewonnen wurden: Der erste ist der Zerfall des Higgs-Bosons in Myonen. Dies ist ein sehr seltener Zerfall, und seine Seltenheit beruht auf der kleinen Masse von Myonen: Das Standard-Higgs-Boson zerfällt in Fermionen mit einer Wahrscheinlichkeit proportional zum Quadrat der Masse. Es gibt jedoch Modelle der Neuen Physik, in denen ein solcher Zerfall verstärkt werden kann. Außerdem ist dies das einzige Beispiel für einen Prozess, bei dem es eine reale Chance gibt, die "Adhäsionskraft" des Higgs-Bosons mit Fermionen nicht der dritten, sondern der zweiten Generation zu messen. Daher suchen die Physiker beharrlich nach ihm, obwohl die aktuellen Statistiken noch nicht ausreichen, um sie zu registrieren – wer weiß, plötzlich glücklich.

Wir haben bereits 2014 über eine solche Analyse von ATLAS im Anschluss an die Ergebnisse von Lauf 1 geschrieben (ATLAS sucht nach dem Zerfall des Higgs-Bosons in Myonen); dann wurde eine Wahrscheinlichkeitsgrenze festgelegt, die siebenmal höher war als die Vorhersage des CM. Jetzt hat ATLAS eine neue Analyse durchgeführt und eine höhere Grenze von oben festgelegt, nur dreimal so viele wie CMS (ATLAS-CONF-2017-014). Es ist möglich, dass die Physiker am Ende der Run 2-Sitzung endlich diesen Zerfall spüren werden.

Der zweite interessante Prozess, über den ATLAS berichtet hat, ist die Geburt des Higgs-Bosons begleitet von Dunklen Materiepartikeln (ATLAS-CONF-2017-024). Dieser Prozess im Standardmodell ist natürlich unmöglich, da dort keine Kandidaten für Teilchen der Dunklen Materie vorhanden sind, aber es wird oft in verschiedenen Theorien der Neuen Physik gefunden (Abb. 6). Teilchen des Detektors für dunkle Materie können natürlich nicht fangen. Aber dann werden sie den transversalen Impuls wegtragen, und der Detektor wird es fühlen. Daher wählte die ATLAS-Kollaboration solche Ereignisse aus, bei denen zwei Photonen mit einer invarianten Masse genau zur Higgs-Boson-Masse geboren wurden und ein starkes Ungleichgewicht des transversalen Impulses beobachtet wurde. Leider wurde nichts Ungewöhnliches bemerkt.

Abb. 6 Zwei Möglichkeiten für die Geburt des Higgs-Bosons h zusammen mit einem Paar von Teilchen der Dunklen Materie χ: durch ein hypothetisches schweres Analogon des Z-Bosons (auf der linken Seite) und durch den schweren "Bruder" des Higgs-Bosons H (auf der rechten Seite).Bild von der Website atlas.web.cern.ch

Die CMS-Kollaboration zeigte die Suchergebnisse für einen weiteren seltenen Prozess – die gleichzeitige Geburt zweier Higgs-Bosonen. Im Rahmen des SM ist dieser Prozess für den LHC noch hoffnungslos, aber seine starke Verbesserung in den verschiedenen Multihiggs-Modellen der Neuen Physik lässt eine Chance für Sensationen. Bis jetzt ist das nicht passiert. Der CMS-Detektor sah diesen Prozess nicht, und die obere Grenze wurde für seine Wahrscheinlichkeit festgelegt, die 28 mal länger ist als die CM-Wartezeit (CMS-PAS-HIG-17-002). Dies ist jedoch viel besser als die Ergebnisse von Lauf 1: dann ist die Grenze von oben bis zu 70 Mal größer als die SM.

Ergebnisse

In technischer Hinsicht funktioniert der Large Hadron Collider perfekt und stellt Rekord für Rekord auf. Die für das Jahr 2016 gesammelten Statistiken unterbrechen mehr als alle vorherigen Jahre der Arbeit des Colliders. Diese Statistiken erfordern eine sorgfältige Verarbeitung, sodass die darauf basierenden Ergebnisse länger als ein Jahr erscheinen. Datenanalyse erreicht auch neue Höhen der Komplexität und Voraussicht. Das wissenschaftliche Feedback ist jedoch nicht so rosig, wie es die Physiker am Vorabend der Sitzung von Lauf 2 geträumt haben: Die kleine Sammlung von Higgs-Ergebnissen, die auf Moriond-Konferenzen vorgestellt wurde, lässt keine fundamentalen Unterschiede der Higgs-Bosoneneigenschaften von den SM-Vorhersagen erkennen .Aber es gibt dutzende Male mehr Higgs-Ergebnisse vor uns – wir müssen nur geduldig sein.

Quellen:
1) Das wissenschaftliche Programm der Konferenzen Moriond 2017 EW und Moriond 2017 QCD.
2) Tabelle der vorläufigen Higgs-Ergebnisse der ATLAS- und CMS-Kollaborationen.

Igor Iwanow


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