Oggi, scienziati del CERN, l'Organizzazione europea per la ricerca nucleare, hanno annunciato che, per la prima volta, hanno osservato il bosone di Higgs trasformarsi in particelle elementari note come quark bottom mentre decade. I fisici hanno previsto che questo sia il modo più comune in cui la maggior parte dei bosoni di Higgs dovrebbe decadere, ma fino ad ora, è stato estremamente difficile individuare i sottili segnali del decadimento. La scoperta è un passo significativo verso la comprensione di come il bosone di Higgs dia massa a tutte le particelle fondamentali dell'universo.

Gli scienziati hanno fatto la loro scoperta utilizzando i rilevatori ATLAS e CMS, due importanti esperimenti progettati per analizzare le collisioni di particelle ad alta energia generate dal Large Hadron Collider (LHC) del CERN:il più grande, più potente acceleratore di particelle al mondo.

bosoni di Higgs, che sono stati scoperti per la prima volta nel 2012, sono una rarità incredibile, e vengono prodotte in una sola collisione su miliardo di LHC. Una volta sfondato nell'esistenza, le particelle svaniscono quasi subito, decadendo in un flusso di particelle secondarie. Il modello standard della fisica, che è la teoria più ampiamente accettata per descrivere le interazioni della maggior parte delle particelle nell'universo, prevede che quasi il 60 per cento dei bosoni di Higgs dovrebbe decadere in quark bottom, particelle elementari che sono circa quattro volte più massicce di un protone.

Entrambi i team ATLAS e CMS hanno trascorso diversi anni a perfezionare le tecniche e incorporare più dati nella loro ricerca di questo decadimento del bosone di Higgs più comune. Entrambi gli esperimenti alla fine hanno confermato che, per la prima volta, hanno visto prove di un bosone di Higgs che decade in un quark bottom, con un grado di confidenza statisticamente elevato.

I fisici del MIT del Laboratory for Nuclear Science sono stati coinvolti nell'analisi e nell'interpretazione dei dati per questa nuova scoperta, compreso Philip Harris, assistente professore di fisica. MIT News ha parlato con Harris, che è anche un membro dell'esperimento CMS, sulla strabiliante ricerca di una trasformazione evanescente, e come la nuova scoperta di Higgs può aiutare i fisici a capire perché l'universo ha massa.

D:Metti un po' questa scoperta nel contesto per noi. Quanto è significativo che il tuo team abbia osservato il decadimento del bosone di Higgs in quark bottom?

A:Il bosone di Higgs ha due meccanismi distinti:dà massa alle particelle di forza coinvolte nelle interazioni elettrodeboli, la forza responsabile del decadimento beta nucleare; e dà massa alle particelle fondamentali all'interno dell'atomo, i quark ei leptoni (come elettroni e muoni). Nonostante sia responsabile di entrambi i meccanismi, la scoperta di Higgs e le successive misurazioni delle proprietà di Higgs sono state in gran parte eseguite con le particelle di forza elettrodebole. Solo di recente abbiamo osservato direttamente le interazioni di Higgs con la materia. Questa misura, il bosone di Higgs che decade in quark bottom, è la prima volta che osserviamo direttamente le interazioni di Higgs-quark. Ciò conferma che i quark ottengono effettivamente massa dal meccanismo di Higgs.

D:Quanto è stato difficile eseguire questo rilevamento, e come è stato infine osservato?

R:Circa il 60 percento di tutti i decadimenti di Higgs è dovuto a quark bottom. Questo è il più grande canale di decadimento singolo del bosone di Higgs. Però, è anche il canale che ha il maggiore sottofondo [rumore delle particelle circostanti]. A seconda di come lo conti, è circa un milione di volte più grande dei canali che abbiamo usato per scoprire il bosone di Higgs.

Alla gente piace confrontare le misurazioni di Higgs con la ricerca di un ago in un pagliaio. Qui, Penso che un'analogia più appropriata sia uno stereogramma dell'occhio magico. Stai cercando un'ampia distorsione nei dati che è molto difficile da vedere. Il trucco per cercare di vedere questa distorsione è come un occhio magico:devi capire come mettere a fuoco correttamente.

Per calibrare la nostra "attenzione, " abbiamo esaminato la particella di forza elettrodebole, il bosone Z, e il suo decadimento a quark bottom. Una volta che siamo stati in grado di vedere il bosone Z entrare nei quark bottom, abbiamo fissato il nostro obiettivo al bosone di Higgs, ed eccolo lì. Devo sottolineare che per vedere chiaramente questa distorsione abbiamo dovuto fare affidamento su una tecnologia che era agli inizi al momento della scoperta del bosone di Higgs, inclusi alcuni dei più recenti progressi nell'apprendimento automatico. Infatti, solo pochi anni fa è stato insegnato nella tua classe di fisica delle particelle standard che era impossibile osservare i decadimenti di Higgs in alcuni di questi canali.

D:La scoperta originale del bosone di Higgs è stata propagandata come una scoperta fondamentale che alla fine rivelerà il mistero sul perché gli atomi abbiano massa. In che modo questa nuova scoperta del decadimento di Higgs aiuterà a risolvere questo mistero?

A:Dopo la scoperta del bosone di Higgs, abbiamo imparato molto su come il meccanismo di Higgs dia massa a diverse particelle. Però, molti sosterrebbero che dopo la scoperta del bosone di Higgs, la fisica delle alte energie è diventata ancora più interessante perché inizia a sembrare che la nostra visione convenzionale della fisica delle particelle non si adatti perfettamente.

Uno dei modi migliori per testare la nostra vista è misurare le proprietà del bosone di Higgs. Il decadimento Higgs-to-quark-bottom è essenziale per questa comprensione perché ci permette di sondare direttamente le proprietà delle interazioni di Higgs e della materia quark e a causa del suo grande tasso di decadimento, il che significa che possiamo misurare il bosone di Higgs in tutti i tipi di scenari che non sono possibili con altre modalità di decadimento.

Questa osservazione ci fornisce un nuovo e potente strumento per sondare il bosone di Higgs. Infatti, come parte di questa misurazione, siamo stati in grado di misurare i bosoni di Higgs con energie superiori al doppio dell'energia dei bosoni di Higgs più alti osservati in precedenza.

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito che copre notizie sulla ricerca del MIT, innovazione e didattica.