Higgs partikel
Dette korte afsnit forsøger at give dig en vis indsigt i eftersøgningen af denne nye partikel ved LHC og de resultater, der for nylig er blevet rapporteret.


Når man søger efter nye partikler, er Higgs partiklen en af de mest berømte kandidater. Den ville hjælpe med at underbygge en teori, som blev fremsat i midten af 60'erne i det 20. århundrede om en mekanisme, der giver alle partiklerne i Standard Modellen deres masser. Man kan udlede fra en række symmetriegenskaber, at alle elementarpartikler var masseløse umiddelbart efter Big Bang. Teorien antager, at et "klistret" medium, som kaldes Higgs feltet, blev udbredt i hele universet en milliardendedel af et sekund efter Big Bang. Fordi der derefter skal bruges energi til at accelerere elementarpartiklerne i mediet, er deres masser forskellige fra nul. Higgs feltet kan selv exciteres, lidt som strømhvirvler i en væske. Excitationerne er kvantiserede og kvantet for Higgs feltet er Higgs partiklen. Den er tung og har en meget kort levetid. Den henfalder til andre partikler før man kan nå at detektere den. Den kan altså kun findes gennem sine henfaldsprodukter. Hvad den henfalder til kan forudsiges ud fra dens masse, men denne er ikke kendt endnu. Derfor leder fysikerne efter en række forskellige signaler, svarende til alle de forskellige henfaldsmåder for Higgs partiklen. I diagrammet nedenfor, som er baseret på teoretiske beregninger og indeholder nye resultater fra ATLAS og CMS, vises brøkdelen (på y-aksen) af de vigtigste henfaldsprocesser af Higgs partiklen. Desuden kan man se skraverede områder på diagrammet. Disse områder af teoretisk mulige værdier for Higgs massen er enten blevet ekskluderet efter analyser fra ATLAS of CMS ved LHC (med 95 % konfidens) eller blev allerede ekskluderet af LHC’s forgænger, LEP collideren, for 10 år siden. Indflydelsen af Higgs massen (x aksen) på disse brøkdele er også tydelig.



Læg mærke til den blå, stiplede linie (mærket WW). Da det er umuligt at bevise eksistensen af Higgs partiklen ved at observere en exces af begivenheder med par af bottom og antibottom kvarker (på grund af den store baggrund), fortæller linien os, at henfald af Higgs partiklen til to W partikler er den bedst målbare henfaldsmåde i hele det endnu tilladte masseområde. Disse W’er har modsat elektrisk ladning, idet Higgs partiklen er elektrisk neutral.

Her er problemet: Hvis en Higgs partikel henfalder til to W’er vil det ligne produktionen af to W’er med modsat elektrisk ladning. Denne produktionsproces er tilladt i Standard Modellen uden at det har noget at gøre med Higgs produktion (se det højre Feyman diagram nedenfor). Og det bliver værre endnu: Den sidste proces (produktion af to W’er uden medvirken af Higgs) er langt hyppigere (afhængigt af massen 4 - 10 gange). Men hvordan kan man så skelne mellem de to processer? Blot ved at se på event displays kan man ikke! Men ved hjælp af yderligere størrelser (som man skal lære at kende for at se hvordan det virker) kan man øge evnen til at skelne mellem de to processer. Partikelfysikere kalder det at øge forholdet mellem signal og baggrund.



Vi vil endda specialisere os i at lede efter Higgs der henfalder til WW. De to W’er henfalder uafhængigt af hinanden, idet de følger lovene fra Standard Modellen. En enkelt W kan henfalde til et par af kvark og antikvark eller lepton og antilepton. Vi ser på de tilfælde hvor begge W partikler henfalder til en lepton og en antilepton, dog ikke tau-leptoner på grund af at de er komplicerede at identificere. Fysikere kalder denne henfaldsmåde for H→WW→lνlν (eller kort: WW→lνlν), hvor l står for en elektron, myon, positron eller antimyon. For at forøge signal til baggrundsforholdet i den valgte henfaldsmåde vil vi koncentreres os om vinklen mellem vores to detekterbare leptoner i planen vinkelret på beamrøret. Ved at tage hensyn til spinnene af de producerede partikler kan man vise at Higgs begivenheder hovedsageligt findes ved vinkler mindre end 90 grader, mens Standard Model WW begivenheder forekommer i alle vinkler og mest ved vinkler større end 90 grader. Det kan også vises i histogrammer.

signal og baggrund
Her er to Feyman diagrammer til, som viser produktion og henfald af Higgs partiklen og en baggrundsbegivenhed (i dette tilfælde produktion af et tungt top kvark par).





WW
  • Her kan du lære hvordan man identificerer WW begivenheder.
  • Først af alt ser man på værdien af den manglende transversale impuls (MET, Missing ET, manglende transversal energi). Hvis den er større end 20 GeV bør du kigge nærmere på begivenheden. I dette eksempel er MET 52 GeV. Det lader også til at der ikke er nogen jets i begivenheden. Meget fint. Vi fortsætter. Nu anbefales det kun at vælge partikelspor som kan knyttes til elektrisk ladede leptonkandidater med høj transversalimpuls. Kig på næste billede for at se hvordan det virker.
  • Sådan ser begivenheden ud efter at vi har anvendt pt cuttet. Kun de partikelspor der har transversalimpuls over 20 GeV er vist. Der er kun to spor tilbage. Meget fint. De kan stamme fra henholdsvis en elektron eller positron og en myon eller antimyon. Lad os finde ud af hvilke leptoner der er tale om og om vores begivenhed opfylder alle krav til at være en WW kandidat. Det sker i næste billede. Blot en enkelt kommentar: hvis man finder to leptoner fra samme generation (f.eks. en elektron og en positron) skal man kontrollere den manglende transversalimpuls igen. Så skal den være større end 40 GeV. Hvis den ikke opfylder dette krav er du nødt til at kalde den en baggrundsbegivenhed.
  • På den ene side finder vi en elektron der flyver gennem detektoren med en transversalimpuls på 53 GeV. Det er meget. På den anden side finder vi en antimyon med en transversalimpuls på 27 GeV. Vi har altså fundet to modsat ladede leptoner som opfylder vores kriterier for transversalimpuls. For at være sikre på at der også er produceret to neutrinoer i begivenheden behøver vi blot mindst 20 GeV manglende transversalimpuls. I virkeligheden er den meget større (52 GeV). Derfor kalder vi denne begivenhed for en WW kandidat. For at få mere at vide om oprindelsen af denne begivenhed måler vi vinklen mellem de to detekterede leptoner (elektronen og antimyonen) i planen vinkelret på beamrøret (det gøres ved at holde ”P” tasten nede og vælge de to spor). Resultatet er 114,2 grader.


Og nu kan du finde denne partikel - lad os komme i gang med målingen!