In precedenza, il bosone di Higgs è stato osservato decadere in fotoni, tau-leptoni, e i bosoni W e Z. Però, questi risultati impressionanti rappresentano solo il 30 percento dei decadimenti del bosone di Higgs. Si prevedeva che il decadimento favorito del bosone di Higgs a una coppia di quark b (H→bb) si verificasse circa il 58% delle volte, guidando così la breve vita del bosone di Higgs, e quindi rimase inafferrabile. Osservare questo decadimento riempirebbe uno dei grandi pezzi mancanti della nostra conoscenza del settore di Higgs e confermerebbe che il meccanismo di Higgs è responsabile delle masse dei quark; inoltre, potrebbe anche fornire suggerimenti di nuova fisica oltre le nostre attuali teorie. Tutto sommato, è un pezzo mancante vitale del puzzle del bosone di Higgs.

Ma dopo oltre 1 milione di decadimenti H→bb nel solo esperimento ATLAS, perché i ricercatori non l'hanno ancora visto? Ciò sembra particolarmente strano considerando che sono stati osservati decadimenti del bosone di Higgs meno frequenti.

La risposta sta nell'abbondanza di b-quark creati nel rivelatore ATLAS a causa di forti interazioni. Creiamo coppie di quark b 10 milioni di volte più frequentemente di quanto creiamo un decadimento H→bb, il che rende la loro individuazione su quel grande sfondo un compito estremamente impegnativo. Cerchiamo quindi i decadimenti H→bb quando sono prodotti in associazione con un'altra particella, in questo caso, un bosone vettore (W o Z). I decadimenti più caratteristici dei bosoni vettoriali forniscono un modo per ridurre il grande sfondo. Questo porta a un tasso di produzione molto più basso - prevediamo di aver creato solo 30, 000 H→bb decade in questo modo, ma offre l'opportunità di individuare questo sfuggente decadimento.

Tuttavia, anche in questa condizione, i processi in background che imitano il segnale H→bb sono ancora grandi, complesso e difficile da modellare. I collaboratori di ATLAS hanno fatto un grande sforzo per isolare il piccolo segnale H→bb dal grande sfondo. Dopo aver selezionato le collisioni di interesse, sono rimasti con il numero previsto di circa 300 eventi H→bb rispetto a 70, 000 eventi di fondo. In definitiva, speravano di vedere un eccesso di eventi di collisione rispetto alla nostra previsione di fondo (un urto) che appare alla massa del bosone di Higgs.

Dopo aver analizzato tutti i dati raccolti da ATLAS nel 2015 e nel 2016, i ricercatori hanno finalmente raggiunto il livello di precisione per confermare l'evidenza per H→bb con un significato osservato di 3,6 quando si combinano i set di dati della corsa 1 e della corsa 2. Come mostrato in figura, si osserva una protuberanza altamente coerente con le aspettative, confermando molti aspetti chiave del comportamento dei bosoni di Higgs. Accanto all'urto, c'è un decadimento di un bosone Z (massa di 91 GeV) in una coppia di quark b, prodotto in modo simile al bosone di Higgs, ma più abbondantemente. Serve come una potente convalida dell'analisi.

Individuare H→bb è solo l'inizio. Gli studi su questo nuovo decadimento apriranno una finestra completamente nuova sull'Higgs, e può anche fornire suggerimenti di nuova fisica oltre le nostre attuali teorie. Resta sintonizzato su questo canale.