Sökande efter par av Higgsbosoner i ATLAS-experimentet vid LHC för att utforska fysik i och bortom Standardmodellen

*Arnaud Ferrari. Foto: Mikael Wallerstedt.*

Vetenskapsrådet fattade den 4 november 2021 beslut om projektbidrag och etableringsbidrag inom naturvetenskap och teknikvetenskap. Institutionen för fysik och astronomi tilldelas 44 160 000 SEK för perioden 2021-2025 för totalt nio projektbidrag och tre etableringsbidrag. Projekten kommer att inledas under 2021.

Läs mer om Vetenskapsrådets bidrag inom naturvetenskap och teknikvetenskap 2021-2025

Projektbeskrivning

Projekttitel: Sökande efter par av Higgsbosoner i ATLAS-experimentet vid LHC för att utforska fysik i och bortom Standardmodellen
Huvudsökande: Arnaud Ferrari, avdelningen för högenergifysik
Beviljade medel: 3 440 000 SEK för perioden 2021-2024

Den subatomära världen beskrivs av en teori som kallas för Standardmodellen. Enligt den utgör fermioner materiens minsta beståndsdelar. Det finns sex leptoner (elektronen, myonen och tauonen, som bär en elektrisk laddning, samt tre neutriner) och sex kvarkar (upp, ner, sär, charm, topp, botten). Tre växelverkningar mellan fermionerna håller ihop materian, och de förmedlas av bosoner. Den starka kraften, som förmedlas av gluoner, binder ihop kvarkarna i protoner och neutroner. Den elektromagnetiska kraften, som förmedlas av fotonen, binder elektroner vid atomkärnan. Den svaga kraften, som förmedlas av tunga W- och Z-bosoner, orsakar bl.a. radioaktiva sönderfall.

Nobelpriset i fysik tilldelades Englert och Higgs 2013 för den teoretiska upptäckten av mekanismen som förklarar massans ursprung hos W- och Z-bosonerna samt alla fermioner (fotonen och gluonerna har ingen massa). Den förklaras genom ett universellt s.k. Higgsfält, som genomsyrar vakuum och växelverkar med alla elementarpartiklar. I Standardmodellen förutspår denna mekanism ytterligare en elektriskt neutral partikel, Higgsbosonen, som 2012 för första gången observerades i data från CERN:s Large Hadron Collider (LHC) i Genève. Ett villkor för Higgsbosonens existens är dock att den inte endast kopplar till fermioner och W- och Z-bosoner för att ge dem massa utan också till sig själv. Detta innebär att Higgsbosonen, med tillräckligt hög energi, har en unik förmåga att skapa två Higgsbosoner. Att observera par av Higgsbosoner är därför nödvändigt för att ytterligare studera mekanismen som förklarar massans ursprung men också för att bättre förstå själva vakuumtillståndet. Sannolikheten för en sådan process att hända i en kollision mellan två protoner är väldigt liten och det krävs därför stora mängder av data för att kunna upptäcka och mäta parproduktionen av Higgsbosoner med tillräckligt stor statistisk signifikans.

Mycket tyder på att Standardmodellen inte är en komplett teori, eftersom det finns många problem som den inte kan lösa, till exempel förklara varför neutriner har massa, samt förekomsten av mörk materia och mörk energi, osv. Den kan inte heller förklara skillnaderna mellan partiklar och antipartiklar som uppstod vid universums födelse. Att observera två Higgsbosoner som produceras samtidigt oftare än vad Standardmodellen förutspår vore ett tydligt bevis för nya fenomen med ursprung bortom Standardmodellen. Dessutom kan egenskaperna hos par av Higgsbosoner hjälpa med att besvara frågor om bl.a. själva Higgsbosonens natur och egenskaperna hos universums vakuumtillstånd.

Kring en av LHC:s kollisionspunkter har man byggt ett stort experiment, ATLAS, som är optimerat för att mäta egenskaper hos partiklarna som kommer från kollisionspunkten och därmed dra slutsatser om vad som hände i själva kollisionen. Detta forskningsprojekt syftar till att leta efter parproduktion av Higgsbosoner där den ena sönderfaller till två botten-kvarkar och den andra till två tauoner. Resultaten av sökandet efter parproduktionen av Higgsbosoner kommer att tolkas för att bekräfta Higgsbosonens koppling till sig själv, samt för att utforska olika teoretiska modeller bortom Standardmodellen. I vissa av dessa teorier kan ny fysik spåras genom produktion av inte bara två men även tre Higgsbosoner. Studier av sådana nya spektakulära processer kommer att genomföras med hjälp av simuleringar, i samarbete med experter inom teoretiska modeller bortom Standardmodellen.