Higgs-Boson: Unser Pass zum verborgenen Tal der neuen Physik in Next

Von Institut für Kernphysik PAN, 23. Mai 2023

Wissenschaftler am Institut für Kernphysik der Polnischen Akademie der Wissenschaften schlagen vor, dass das Higgs-Boson laut „Hidden Valley“-Modellen durch den Zerfall in exotische Teilchen mit der „neuen Physik“ interagieren könnte. Diese Modelle deuten darauf hin, dass zukünftige Teilchenbeschleuniger diesen exotischen Zerfall beobachten könnten, was möglicherweise den Weg für das Verständnis neuer Physik über unser aktuelles Standardmodell hinaus ebnet.

Möglicherweise interagiert auch das berühmte Higgs-Boson, das für die Existenz von Massen an Elementarteilchen verantwortlich ist, mit der seit Jahrzehnten angestrebten Welt der neuen Physik. Sollte dies tatsächlich der Fall sein, müsste das Higgs-Molekül auf charakteristische Weise unter Einbeziehung exotischer Teilchen zerfallen. Am Institut für Kernphysik der Polnischen Akademie der Wissenschaften in Krakau wurde gezeigt, dass solche Zerfälle, falls sie tatsächlich auftreten, in Nachfolgern des derzeit entworfenen LHC beobachtet werden können.

Wenn wir über das „verborgene Tal“ sprechen, denken wir zuerst an Drachen und nicht an fundierte Wissenschaft. In der Hochenergiephysik wird dieser malerische Name jedoch bestimmten Modellen gegeben, die die Menge der derzeit bekannten Elementarteilchen erweitern. In diesen sogenannten Hidden-Valley-Modellen gehören die Teilchen unserer Welt, wie sie im Standardmodell beschrieben werden, zur Gruppe niedriger Energie, während exotische Teilchen im Bereich hoher Energie verborgen sind. Theoretische Überlegungen legen dann den exotischen Zerfall des berühmten Higgs-Bosons nahe, der am LHC-Beschleuniger trotz jahrelanger Suche nicht beobachtet werden konnte. Wissenschaftler am Institut für Kernphysik der Polnischen Akademie der Wissenschaften (IFJ PAN) in Krakau argumentieren jedoch, dass Higgs-Zerfälle in exotische Teilchen bereits in Beschleunigern, die Nachfolger des Large Hadron Collider sind, perfekt beobachtbar sein sollten – wenn sich die Hidden-Valley-Modelle ändern darauf abzielen, mit der Realität übereinzustimmen.

„In Hidden-Valley-Modellen haben wir zwei Gruppen von Teilchen, die durch eine Energiebarriere getrennt sind. Die Theorie besagt, dass es dann exotische massive Teilchen geben könnte, die diese Barriere unter bestimmten Umständen überwinden könnten. Die Teilchen wie das Higgs-Boson oder das hypothetische Z‘-Boson würden als solche fungieren.“ „Kommunikatoren zwischen den Teilchen beider Welten. Das Higgs-Boson, eines der massereichsten Teilchen des Standardmodells, ist ein sehr guter Kandidat für einen solchen Kommunikator“, erklärt Prof. Marcin Kucharczyk (IFJ PAN), Hauptautor eines Artikels in das Journal of High Energy Physics, das die neuesten Analysen und Simulationen zur Möglichkeit der Erkennung von Higgs-Boson-Zerfällen in zukünftigen Leptonbeschleunigern vorstellt.

Nachdem der Kommunikator in den Niedrigenergiebereich gelangt war, würde er in zwei ziemlich massive exotische Teilchen zerfallen. Jedes davon würde in Pikosekunden – also Billionstelsekunden – in zwei weitere Teilchen mit noch kleineren Massen zerfallen, die dann im Standardmodell liegen würden. Welche Anzeichen wären also in den Detektoren zukünftiger Beschleuniger zu erwarten? Das Higgs selbst würde unbemerkt bleiben, ebenso wie die beiden Hidden Valley-Partikel. Die exotischen Teilchen divergierten jedoch allmählich und zerfielen schließlich, im Allgemeinen in Quark-Antiquark-Schönheitspaare, die in modernen Detektoren als Teilchenstrahlen sichtbar wurden, die sich von der Achse des Leptonenstrahls entfernten.

Die Suche nach exotischen Higgs-Boson-Zerfällen in zukünftigen Lepton-Beschleunigern: 1) Ein Elektron und ein Positron aus entgegengesetzten Strahlen kollidieren; 2) die Kollision erzeugt ein hochenergetisches Higgs-Boson; 3) das Boson zerfällt in zwei exotische Teilchen, die sich von der Strahlachse entfernen; 4) Exotische Teilchen zerfallen in Quark-Antiquark-Paare, die für Detektoren sichtbar sind. Bildnachweis: IFJ PAN

„Beobachtungen von Higgs-Boson-Zerfällen würden daher darin bestehen, nach den Jets von Teilchen zu suchen, die von Quark-Antiquark-Paaren erzeugt werden. Ihre Spuren müssten dann im Nachhinein rekonstruiert werden, um die Orte zu finden, an denen exotische Teilchen wahrscheinlich zerfallen sind. Diese Orte, professionell genannt.“ „Zerfallsscheitelpunkte sollten paarweise auftreten und in Bezug auf die Achse der kollidierenden Strahlen im Beschleuniger charakteristisch verschoben sein. Die Größe dieser Verschiebungen hängt unter anderem von der Masse und der durchschnittlichen Lebensdauer exotischer Teilchen ab, die während des Higgs-Zerfalls auftreten.“ sagt Mateusz Goncerz, M.Sc. (IFJ PAN), Co-Autor des betreffenden Artikels.

Die Kollisionsenergie von Protonen am LHC, dem derzeit größten Teilchenbeschleuniger der Welt, beträgt bis zu mehreren Teraelektronenvolt und reicht theoretisch aus, um Higgs zu erzeugen, das in der Lage ist, die Energiebarriere zu überwinden, die unsere Welt vom Hidden Valley trennt. Leider sind Protonen keine Elementarteilchen – sie bestehen aus drei Valenzquarks, die durch starke Wechselwirkungen verbunden sind und in der Lage sind, eine große Anzahl ständig erscheinender und verschwindender virtueller Teilchen zu erzeugen, darunter Quark-Antiquark-Paare. Eine solch dynamische und komplexe innere Struktur erzeugt bei Protonenkollisionen eine große Anzahl sekundärer Teilchen, darunter viele Quarks und Antiquarks mit großer Masse. Sie bilden einen Hintergrund, in dem es praktisch unmöglich wird, die gesuchten Teilchen aus den exotischen Higgs-Boson-Zerfällen zu finden.

Die Erkennung möglicher Higgs-Zerfälle in diese Zustände soll durch Beschleuniger, die als Nachfolger des LHC konzipiert werden: der CLIC (Compact Linear Collider) und der FCC (Future Circular Collider), radikal verbessert werden. In beiden Geräten wird es möglich sein, Elektronen mit ihren antimateriellen Partnern, den Positronen, kollidieren zu lassen (wobei CLIC für diese Art von Kollision vorgesehen ist, während FCC auch Kollisionen von Protonen und schweren Ionen ermöglichen wird). Elektronen und Positronen haben keine innere Struktur, daher dürfte der Hintergrund für exotische Higgs-Boson-Zerfälle schwächer sein als am LHC. Nur wird es ausreichend sein, um das wertvolle Signal zu erkennen?

Bei ihrer Forschung berücksichtigten Physiker des IFJ PAN die wichtigsten Parameter der CLIC- und FCC-Beschleuniger und ermittelten die Wahrscheinlichkeit exotischer Higgs-Zerfälle mit Endzuständen in Form von vier Beauty-Quarks und Antiquarks. Um sicherzustellen, dass die Vorhersagen eine größere Gruppe von Modellen abdecken, wurden die Massen und mittleren Lebensdauern der exotischen Teilchen über ausreichend große Wertebereiche berücksichtigt. Die Schlussfolgerungen sind überraschend positiv: Alle Anzeichen deuten darauf hin, dass der Hintergrund exotischer Higgs-Zerfälle in zukünftigen Elektron-Positron-Beschleunigern sogar radikal um mehrere Größenordnungen reduziert und in einigen Fällen sogar als vernachlässigbar angesehen werden könnte.

Die Existenz von Teilchenkommunikatoren ist nicht nur in Hidden-Valley-Modellen möglich, sondern auch in anderen Erweiterungen des Standardmodells. Wenn also die Detektoren künftiger Beschleuniger eine Signatur registrieren, die den von den Krakauer Forschern analysierten Higgs-Zerfällen entspricht, ist dies nur der erste Schritt auf dem Weg zum Verständnis neuer Physik. Als nächstes wird es darum gehen, eine ausreichend große Anzahl von Ereignissen zu sammeln und die wichtigsten Zerfallsparameter zu bestimmen, die mit den Vorhersagen theoretischer Modelle der neuen Physik verglichen werden können.

„Die Hauptschlussfolgerung unserer Arbeit ist daher rein praktischer Natur. Wir sind uns nicht sicher, ob die neuen physikalischen Teilchen, die an den Zerfällen des Higgs-Bosons beteiligt sind, zu dem von uns verwendeten Hidden-Valley-Modell gehören werden. Wir haben dieses Modell jedoch als repräsentativ für viele andere Vorschläge betrachtet.“ neue Physik und haben gezeigt, dass, wenn die Higgs-Bosonen, wie vom Modell vorhergesagt, in exotische Teilchen zerfallen, dieses Phänomen in den Elektronen- und Positronenbeschleunigern, deren Start in naher Zukunft geplant ist, perfekt sichtbar sein sollte“, schließt Prof. Kucharczyk .

Referenz: „Suche nach exotischen Zerfällen des Higgs-Bosons in langlebige Teilchen mit Jet-Paaren im Endzustand am CLIC“ von Marcin Kucharczyk und Mateusz Goncerz, 17. März 2023, Journal of High Energy Physics.DOI: 10.1007/JHEP03(2023 )131

Die betreffende Forschung wurde durch ein OPUS-Stipendium des Polnischen Nationalen Wissenschaftszentrums finanziert.