⚛️ Die Schlinge zieht sich enger um den Wert der Selbstkopplung des Higgs-Bosons

Die Selbstkopplung des Higgs-Bosons ist ein Phänomen, bei dem das Higgs mit sich selbst wechselwirkt und das sich in Teilchenkollisionen des LHC am CERN durch die Produktion von Higgs-Boson-Paaren manifestieren kann. Diese Selbstkopplung ist für Physiker von höchstem Interesse, da sie eine Sonde mit unerreichter Empfindlichkeit bieten könnte, um den Einfluss noch unbekannter Teilchen zu erforschen.

Dank der Entwicklung von Machine-Learning-Techniken und der immer effizienteren Sammlung von Kollisionsdaten durch die Teilchendetektoren ATLAS und CMS scheint sich ihre Messung, die vor wenigen Jahren noch für unmöglich gehalten wurde, heute abzuzeichnen. Erklärungen.


Die Forschung am LHC hat goldene Zeiten vor sich: 16 Jahre nach dem Start des größten Teilchenbeschleunigers der Welt am CERN liefern die Teilchenkollisionen in den großen Detektoren ATLAS und CMS weiterhin tropfenweise ihre Geheimnisse über dieses mysteriöse Teilchen, das Higgs-Boson, preis.


Dieses Boson, das 2012 von den beiden großen internationalen Physiker-Kollaborationen entdeckt wurde, ist in erster Linie die korpuskulare Manifestation des Higgs-Feldes, dessen Wechselwirkung mit den anderen Elementarteilchen ihnen ihre Masse verleiht. Dreizehn Jahre nach seiner Entdeckung ist es immer noch in viele Geheimnisse gehüllt, und eines der hartnäckigsten davon beginnt sich zu lüften: das der Selbstkopplung des Higgs-Bosons, ein Phänomen, bei dem das Teilchen mit sich selbst wechselwirken würde, um ein Paar Higgs-Bosonen zu erzeugen.

Diese Wechselwirkung, die vom Standardmodell¹ vorhergesagt wird, ist so selten und so schwer von anderen im LHC erzeugten Ereignissen zu unterscheiden, dass sie keine Chance hatte, von den ATLAS- und CMS-Experimenten mit ausreichender Genauigkeit gemessen zu werden. Zumindest dachte das die Gemeinschaft der Teilchenphysiker vor nicht allzu langer Zeit.

Durch die Optimierung der Jagd nach Higgs-Boson-Paaren auf allen Ebenen ändern die Wissenschaftler die Lage. Langsam aber sicher, wie die kürzlich von der ATLAS-Kollaboration erzielten Ergebnisse zeigen, präzisiert sich die Messung der Selbstkopplung.

Um genau zu verstehen, worum es geht, muss man wissen, dass jede Protonenkollision im Herzen des LHC eine Myriade von Sekundärteilchen erzeugt, die miteinander wechselwirken, zerfallen und neue Teilchen bilden. In diesem Chaos studieren die Physiker das, was sie die "Kopplung" der Teilchen nennen. Sie messen, wie stark jedes von ihnen mit den anderen wechselwirkt. Und unter den vielen möglichen Kopplungen interessieren sie sich besonders für diejenigen, die das Higgs-Boson betreffen.

Die Theorie sagt tatsächlich eine Korrelation zwischen der Stärke der Kopplung mit dem Higgs und der Masse der Teilchen voraus. Eine Vorhersage, die sich am LHC tatsächlich bei einigen der massereichsten Teilchen des Standardmodells bestätigt hat, wie dem Top-Quark, das sehr stark mit dem Higgs-Boson wechselwirkt. Aber wie verhält es sich mit dem Higgs-Boson selbst?


Wenn es eine Masse hat, muss es theoretisch mit sich selbst wechselwirken, und die Physiker würden das gerne genau wissen. Für sie wäre das eine schöne Möglichkeit zu überprüfen, ob die Vorhersagen des Standardmodells der Teilchenphysik immer noch so unerbittlich genau sind.

Andererseits, wenn bei dieser besonderen Wechselwirkung Abweichungen auftauchen würden, würden sie de facto die Existenz neuer, bisher unentdeckter physikalischer Phänomene verraten. Phänomene, die auf die Existenz noch unbekannter Teilchen hinweisen oder dazu beitragen könnten, die Asymmetrie zwischen der Menge an Materie und Antimaterie im Universum zu erklären. Da die Masse des Higgs-Bosons genau bekannt ist, lässt sich die seines Selbstkopplung leicht ableiten, und theoretisch müsste man nur die LHC-Daten durchsuchen, um sie zu überprüfen. Aber hier wird es kompliziert.


Die Physiker müssen nämlich in dem intensiven Untergrundrauschen, das in den LHC-Kollisionen erzeugt wird, Paare von Higgs-Bosonen nachweisen, eine der erwarteten Manifestationen der Selbstkopplung. Aber dieser Prozess ist sehr selten und um die Sache zu komplizieren, ist es unmöglich, ihn direkt zu detektieren, da die Higgs-Teilchen zu schnell zerfallen, um von den Teilchendetektoren erfasst zu werden.

Die Wissenschaftler müssen daher indirekt vorgehen, indem sie nach den Produkten ihres Zerfalls suchen. Dafür untersuchen sie drei Zerfallskanäle: den "bbbb"-Kanal, bei dem 4 Bottom-Quarks gleichzeitig erzeugt werden, bei weitem der häufigste, aber auch der am schwersten zu erkennende; den "bb TT"-Kanal, bei dem zwei Bottom-Quarks zusammen mit zwei Tau-Leptonen entstehen, seltener aber leichter zu identifizieren; und schließlich den "bbγγ"-Kanal, bei weitem der seltenste der drei, aber der am einfachsten zu unterscheidende, bei dem der Zerfall der beiden Higgs 2 Bottom-Quarks und 2 Gamma-Photonen produziert.


"Was unsere Aufgabe so schwierig macht, ist die extreme Seltenheit der Ereignisse, die wir beobachten wollen", kommentiert Nicolas Berger, Forscher am LAPP (CNRS/USMB) und Mitglied der ATLAS-Kollaboration. "Von den Milliarden von Kollisionen, die in der zweiten Betriebsperiode (Run 2) des LHC zwischen 2015 und 2018 aufgezeichnet wurden, schätzen wir, dass nur eine Handvoll zur Entstehung eines Higgs-Paares führen wird, das in dem von uns bevorzugten Kanal, dem 'bbγγ'-Kanal, zerfällt. Unsere erste Priorität bei dieser Suche nach der Selbstkopplung ist es daher, die Menge der verfügbaren Daten signifikant zu erhöhen".


Und um das zu erreichen, sind alle Mittel recht. So haben sich die Mitglieder des ATLAS-Experiments in ihrer jüngsten Veröffentlichung nicht damit begnügt, die 168 fb^{−1 2} Daten aus dem seit 2022 laufenden Run 3 des LHC zu analysieren, sie haben auch die Daten des Run 2 mit neuen Machine-Learning-Techniken neu analysiert, um dort unentdeckte Selbstkopplungsereignisse aufzuspüren. Es handelt sich um Techniken zur Partikel-Kennzeichnung und Ereignis-Kategorisierung, basierend auf Graph Neural Networks und Transformers.


Techniken, die in der Teilchenphysik immer häufiger eingesetzt werden, wie das andere kürzliche Ergebnis der Suche nach dem Zerfall des Higgs-Bosons in ein Paar Charm-Quarks durch CMS bezeugt. Ergebnis: Die ATLAS-Veröffentlichung zur Studie der Selbstkopplung im "bbγγ"-Kanal stützt sich auf insgesamt 308 fb⁻¹. Ein erster Schritt, der den Ton angibt, aber die Wissenschaftler noch weit vom Ziel entfernt lässt.

"Wenn wir strenge Grenzen für die Selbstkopplung des Higgs setzen wollen, müssen wir andere Aspekte verbessern, wie unsere Fähigkeit, Daten zu sammeln, unsere Auswahlmethoden, Analysen oder auch die präzise Speicherung", sagt Olivier Davignon, Forscher am LLR (CNRS/Ecole Polytechnique) und Mitglied der CMS-Kollaboration. "Wir haben in den letzten Jahren zum Beispiel leistungsfähigere Trigger-Algorithmen entwickelt. Sie ermöglichen es uns, vielversprechende Ereignisse besser auszuwählen, um sie anschließend zu analysieren.

So ermöglichen uns seit der Datennahme des Jahres 2023 Algorithmen, die explizit auf die Produktion von Higgs-Boson-Paaren oder einen bestimmten Produktionsmodus von Higgs-Bosonen abzielen, die Menge der letztendlich für unsere Analysen verfügbaren Daten erheblich zu erhöhen." Diese zusätzlichen Daten werden vorübergehend zurückgelegt, um einige Monate nach denen, die mit den klassischen Algorithmen gesammelt wurden, für die Analysen aufbereitet ("rekonstruiert") zu werden.

Zusammengenommen beginnen diese Kniffe Früchte zu tragen, und die Ergebnisse der ATLAS-Veröffentlichung spiegeln das wider. Die Grenzen, die heute auf den Wert der Higgs-Selbstkopplung basierend nur auf dem "bbγγ"-Kanal gesetzt werden, sind von derselben Größenordnung wie die, die vor einigen Jahren unter Einbeziehung aller drei in den Run-2-Datensätzen verfügbaren Kanäle gesetzt wurden. Die baldige Berücksichtigung zusätzlicher Kanäle durch die ATLAS- und CMS-Experimente wird diese Grenzen zweifellos weiter verschärfen. Was die Erlangung eines präzisen Wertes betrifft?


"Angesichts der extremen Schwierigkeit, das Signal der Selbstkopplung des Higgs-Bosons zu unterscheiden, können wir nur hoffen, die Grenzen dieses Wertes in den nächsten Jahren, gegen Ende von Run 3 und mit dem HL-LHC, weiter zu verschärfen", antwortet Nicolas Berger. Aber wir bleiben optimistisch! Neue Schätzungen zeigen uns, dass die Empfindlichkeit, die unsere Experimente während des Betriebs des HL-LHC erreichen könnten, doppelt so hoch sein könnte wie das, was wir vor nur fünf Jahren für die gleiche Datenmenge vorhergesagt haben, und das allein dank der Fortschritte in der Datenanalyse. Wer weiß, was wir erreichen können, wenn sich unsere Analysetechniken im gleichen Tempo weiter verbessern? Es ist jedoch sehr möglich, dass nur ein neuer Beschleuniger vom Typ FCC-hh es uns erlauben wird, die Selbstkopplung des Higgs-Bosons präzise zu messen".

Anmerkungen:

¹ Standardmodell der Teilchenphysik, ein Satz von Gleichungen, der die Elementarteilchen und ihre Wechselwirkungen mit einer bisher nie widerlegten Präzision beschreibt.

² Das Femtobarn ist eine Einheit, die die Menge der berücksichtigten Proton/Proton-Kollisionen repräsentiert.

Quelle: CNRS IN2P3