Een kandidaat-evenement van het ATLAS-experiment voor een Higgsboson dat vervalt in twee bottom quarks. Illustratie: ATLAS/CERN

Higgsboson volgt Standaardmodel en vervalt in twee bottom quarks

Zes jaar na zijn ontdekking is voor het eerst waargenomen dat het Higgsboson vervalt in elementaire deeltjes die bottom quarks genoemd worden. Dat hebben het ATLAS- en CMS-team bij de deeltjesversneller LHC vandaag  bekendgemaakt in het CERN. De bevinding bevestigt het Standaardmodel van de deeltjesfysica, en ze is consistent met de theorie dat het alles doordringende kwantumveld achter het Higgsboson ook massa geeft aan de bottom quark. 

Het Standaardmodel voorspelt dat in 60 procent van de gevallen een Higgsboson zal vervallen tot een paar bottom quarks, de op een na zwaarste smaak van de zes quarks. Het gaat dan om één bottom quark en een antibottom quark, het antideeltje van een bottom quark. Het testen van deze voorspelling is zeer belangrijk omdat het resultaat ofwel het Standaardmodel - dat gebouwd is op het idee dat het Higgsveld massa geeft aan quarks en andere elementaire deeltjes - zou ondersteunen, ofwel de fundamenten van het model zou onderuit halen en zou wijzen op een nieuwe fysica.

Het waarnemen van dit veel voorkomende kanaal van verval van het Higgsboson is lang niet gemakkelijk, zoals ook al blijkt uit het feit dat het zes jaar geduurd heeft sinds de ontdekking van het boson. De reden waarom het zo moeilijk is, is dat er veel andere manieren zijn om bottom quarks te produceren bij bostingen van protonen met protonen. Dat maakt het moeilijk om de signalen van het verval van het Higgsboson te isoleren uit het "achtergrondlawaai" waarmee die processen gepaard gaan. De minder voorkomende vervalkanalen van het Higgsboson die geobserveerd werden bij de ontdekking van het deeltje, zoals het verval tot een paar fotonen, zijn daarentegen veel makkelijker uit de achtergrond te halen.

Een vergelijking van de massa van de zes verschillende smaken van quarks: de t (top) quark is veruit de zwaarste, de b (bottom) quark de op een na zwaarste, gevolgd door de c (charm) quark, de s (strange) quark, de d (down) quark en ten slotte de u (up) quark. Voor de schaal staan er links onderaan een proton (grijs) en een elektron (rood) afgebeeld. Incnis Mrsi/Wikimedia Commons

Complexe analyses

Om het signaal te extraheren, combineerden de ATLAS- en de CMS-samenwerkingsverbanden gegevens van de eerste en de tweede "run" van de Large Hadron Collider (LHC), met botsingen met een energie van 7, 8 en 13 TeV. Vervolgens pasten ze complexe analyse-methoden toe op de gegevens. 

Het eindresultaat, voor zowel ATLAS als CMS, was de waarneming van het verval van het Higgsboson tot een paar bottom quarks, met een significantie die boven 5 standaardafwijkingen lag (5,4). De beide teams maten bovendien een percentage voor het verval, dat overeenstemt met de voorspelling van het Standaardmodel, binnen de huidige precisie van de metingen. 

Met meer data zullen de teams de precisie van deze en andere metingen kunnen verbeteren, en het verval kunnen onderzoeken van het Higgsboson in een paar veel minder massieve fermionen die muonen genoemd worden, daarbij steeds uitkijkend naar afwijkingen in de gegevens die zouden kunnen wijzen op een fysica die verder gaat dan het Standaardmodel.  

"De experimenten blijven zich concentreren op het Higgs-deeltje, dat vaak beschouwd wordt als de toegangspoort naar een nieuwe fysica", zei Eckhard Elsen, de directeur van de afdeling onderzoek en informatica van het CERN. "Het is nu aangetoond dat de analysemethoden de precisie bereikt hebben die nodig is voor het onderzoeken van het gehele natuurkundige landschap, met daarin inbegrepen, zo hopen we, de nieuwe fysica die zich tot nu toe zo subtiel weet te verbergen", zo zei hij in een persmededeling van het CERN.  

De beide teams hebben hun resultaten ter publicatie voorgelegd, ATLAS aan "Physics Letters B", en CMS aan "Physical Review Letters". Overigens hebben er ook natuurkundigen van de Université libre de Bruxelles (ULB) meegewerkt aan de ontdekking. Dat heeft de ULB vandaag meegedeeld. 

Het Standaardmodel van de deeltjesfysica, met links bovenaan de zes smaken quarks, en rechts bovenaan het Higgsboson.