How to tell a Higgs from another boson?

On July 4, when CERN announced “the observation of a new particle” and not the discovery of the Higgs boson, many wondered why be so cautious. It was simply too early to tell what kind of boson we had found. The Higgs boson is the last missing piece of the Standard Model of particle physics, a model that has enabled theorists to make extremely precise predictions. But to fully trust this model, it should have all its pieces. Who would want to complete a 5000-piece puzzle with the wrong piece?

Both the CMS and ATLAS experiments have been conducting several checks since July:

1) Are all possible decay modes predicted by the Standard Model observed?

2) Is each observed decay happening at the right rate?

3) What are the fundamental properties of the new boson?

The first checks (based on half the data now available) indicate that the new boson is compatible with being the Higgs boson. But the precision is still too low to tell as shown on the plots below (the signal strength and ?/?SM H are the same quantity).

The Higgs boson can decay in many ways and the plot shows which decays have been observed and at what rates. A signal strength (of 1 means the signal corresponds exactly to what is expected for a Higgs boson. Zero would mean there is no signal seen for this particular decay channel. The black points represent the measured values and the horizontal bar, the error margin.

At this point, we cannot tell unambiguously if the first two measurements are more compatible with 0 (the decay does not exist) or 1 (yes, it decays at the predicted rate). Both CMS and ATLAS need to analyze more data to say if the new boson decays into two b quarks (H ? bb) and two tau leptons (H ? ??).

The other three decay modes, namely WW, two photons (H ? ??) and ZZ occur at about the rate or slightly more often than expected by the Standard Model.

The decisive test will come by measuring its spin and parity, two “quantum numbers” or properties of fundamental particles. The spin is similar to the angular momentum of a spinning object. But for fundamental particles, only discrete values can be used. For bosons (the particles carrying the various forces), these values can be 0, ±1, ±2 and so on. For fermions, the building blocks of matter like quarks and leptons (electron, muon, tau and neutrinos), it can only be +½ or -½.

Aidan Randle-Conde has compiled all possibilities on his blog. A particle with spin 1 cannot decay into two photons. Since we have seen the new boson decaying into photons, spin 1 is already ruled out in the table below. Moreover, a spin 2 boson could not decay into two taus, which is why it is so important to look for this decay in the latest data.

(from Aidan Randle-Conde’s blog)

The Standard Model predicts that the spin and parity of the Higgs boson will be 0+. To distinguish between 0+ and 0, as well as 2+ and 2, the only way is to carefully measure the angles at which all the decay products fly apart. So if we observe the new boson decaying into photons, we must measure the angle between the photons and the beam axis. If it decays into two Z, each one going into two electrons or two muons, we must carefully measure the angles of these four particles and their combined mass. Here is what Sara Bolognesi and her colleagues predict for Higgs bosons decaying into ZZ, WW or two photons. We must measure specific quantities, namely the mass and angles of the decay products, to distinguish them. If they match the red curve, we will know it is the Higgs boson, but it they look like one of the other curves, it will mean the new boson corresponds to a different theoretical model.

Each experiment now has about 14 fb-1 of data on tape and expects about 25 fb-1 in total by the end of the year. With the 5 fb-1 collected last year, it should be sufficient to unmask the new comer. “All” we need to do is measure these extremely complex quantities.

Pauline Gagnon

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For more info, see these two CERN news videos on

http://cdsweb.cern.ch/record/1478170

http://cdsweb.cern.ch/record/1478171

Comment distinguer le Higgs d’un autre boson?

Le 4 juillet, le CERN annonçait avoir «observé une nouvelle particule » et non « découvert le boson de Higgs. » Pourquoi faire preuve de tant de retenue? Simplement parce ce qu’il était trop tôt pour se prononcer. Le boson de Higgs est la dernière pièce manquante au Modèle Standard de la physique des particules, un modèle qui a permis aux théoriciennes et théoriciens de faire des prédictions d’une extrême précision. Mais qui voudrait compléter un casse-tête de 5000 morceaux en y insérant la mauvaise pièce?

Les expériences CMS et ATLAS ont déjà attaqué les questions suivantes:

1) Voit-on tous les modes de désintégration prédits par le Modèle Standard?

2) Est-ce que chacun se produit aussi souvent que prévu?

3) Quelles sont les propriétés fondamentales de ce nouveau boson?

Bien que les premières vérifications effectuées (basées sur la moitié des données disponibles aujourd’hui) indiquent que le nouveau boson aie tout l’air du Higgs, la précision actuelle est encore trop faible pour trancher comme le montre les graphes suivants. (signal strength et ?/?SM H représentent la même quantité).

Le boson de Higgs peut se désintégrer de plusieurs façons et le graphe montre les différents canaux observés ainsi que leur fréquence. Une « force de signal » (signal strength) de 1 implique que le signal correspond exactement à ce que prédit le modèle pour un boson de Higgs. Et zéro veut dire que ce canal de désintégration n’est pas observé. Les points en noir représentent les mesures faites et la barre horizontale, la marge d’erreur associée.

Comme on le voit bien, il est encore impossible de dire si les deux premiers canaux sont compatible avec 0 (non, ce canal n’est pas observé) ou 1 (oui, on le voit au taux prévu). ATLAS et CMS doivent analyser plus de données pour déterminer si ce boson se désintègre en deux quarks b (H ? bb) et deux leptons tau (H ? ??). Les trois autres canaux sont bel et bien observés mais à des taux légèrement supérieurs à ceux prévus par le Modèle Standard.

Le test décisif viendra des mesures de son spin et de sa parité, deux « nombres quantiques » (ou particularités mesurables) attachés aux particules fondamentales. Le « spin » est semblable à la quantité de mouvement angulaire qu’on associe à un corps en rotation. Sauf que pour les particules fondamentales, cette quantité ne peut prendre que certaines valeurs bien précises. Pour les bosons, les particules associées aux champs de forces, la valeur doit être 0, ±1, ±2 etc. Pour les fermions, les grains de matière tels que les quarks et les leptons (électron, muon, tau and neutrinos), le spin est soit +½, soit -½.

Aidan Randle-Conde résume bien toutes les possibilités dans son blog (en anglais). Seule une particule de spin 0 ou 2 peut se désintégrer en deux photons. Puisqu’on a vu que le nouveau boson se désintègre en deux photons, il ne peut avoir qu’un spin 0 ou 2. De plus, un boson de spin 2 ne peut se désintégrer en deux taus. Il est donc crucial de mesurer si c’est le cas ou pas en utilisant toutes les données accumulées récemment.

(tiré du blog d’Aidan Randle-Conde)

Le Modèle Standard impose que le spin et la parité du boson de Higgs soit 0+. Reste donc à déterminer si le nouveau boson est de type 0+ ou encore 0, 2+ ou 2. Le seul moyen est de mesurer les angles auxquels les produits de désintégration s’échappent. Si on observe une désintégration en deux photons, on doit mesurer l’angle entre les photons et la direction des faisceaux du LHC. Lorsque le boson se brise en deux Z, chacun donnant à son tour deux électrons ou deux muons, il faut mesurer les angles et la masse combinée des quatre particules finales.

Voici ce que Sara Bolognesi et ses collègues prédisent pour un boson de Higgs se désintégrant soit en ZZ, WW ou deux photons. En mesurant la masse et les angles des produits de désintégration, on pourra déterminer le spin et la parité du nouveau boson. Si leur distribution correspond aux courbes en rouge dans les diagrammes suivants, c’est qu’on a bel et bien trouvé le boson de Higgs. Si cela ressemble plutôt aux autres courbes, celles associées à d’autres modèles, c’est qu’il s’agit d’un autre type de boson.

Chaque expérience a maintenant en main 14 femtobarn inverse (fb-1) de données et on espère atteindre 25 fb-1 au total d’ici la fin de l’année. Avec les 5 fb-1 accumulés l’an dernier, ce devrait être suffisant pour arriver à démasquer le nouveau venu. Il ne reste « plus » qu’à mesurer toutes ces quantités assez complexes.

Pauline Gagnon

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Pour plus d’info sur le spin du boson de Higgs, regardez ces deux récents vidéos sur

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