L'ultima particella mancante del Modello Standard, il bosone di Higgs, è stato scoperto nel 2012 in esperimenti al Large Hadron Collider. Da allora, alla ricerca di nuovo, particelle correlate è in corso. Predetto da varie teorie che vanno oltre la fisica conosciuta, I bosoni di Higgs con carica elettrica positiva o negativa sono tra i candidati da osservare. Ma esistono davvero queste particelle?

Presso l'Organizzazione europea per la ricerca nucleare CERN vicino a Ginevra, la seconda serie di collisioni e raccolta di dati del Large Hadron Collider sulle particelle e sui loro decadimenti è appena terminata. Nei due anni successivi, l'acceleratore sarà sottoposto a manutenzione e gli aggiornamenti saranno completati. Nel frattempo, i fisici analizzano intensamente i dati della corsa appena completata. La loro indagine si concentra principalmente sulla ricerca di particelle elementari oltre il Modello Standard, come il bosone di Higgs caricato elettricamente. L'analisi più recente in questo campo è stata condotta da un team internazionale di fisici che lavorano nell'ambito dell'esperimento ATLAS. Il gruppo era composto da ricercatori dell'Istituto di fisica nucleare dell'Accademia polacca delle scienze (IFJ PAN) di Cracovia e di altre cinque istituzioni sparse in tutto il mondo.

"Il Modello Standard è una struttura teorica complessa e descrive tutte le particelle elementari conosciute con un'accuratezza eccellente. Sappiamo, però, che funziona bene per le energie sperimentalmente accessibili. A energie davvero elevate, le previsioni del Modello Standard si rompono; da qui la necessità della cosiddetta nuova fisica, " afferma il dottor Pawel Bruckman (IFJ PAN), e ricorda che la meccanica classica, Per esempio, mostra caratteristiche simili. Quando l'energia dei corpi in movimento è bassa, la sua descrizione è esatta. Però, quando la velocità diventa paragonabile a quella della luce, La fisica newtoniana deve cedere il passo alle teorie relativistiche.

Scoperto nel 2012 da esperimenti ATLAS e CMS, il bosone di Higgs neutro ha confermato l'esistenza del meccanismo necessario alla coerenza del Modello Standard. fisici, però, sono consapevoli che questa particella potrebbe essere solo una parte di un più ampio settore di Higgs, previsto dalla maggior parte delle teorie che vanno oltre la moderna fisica delle particelle. Nelle teorie supersimmetriche più popolari (dove ogni particella conosciuta ha un esotico, super-partner più massiccio), ci sono cinque bosoni di Higgs. Tre di loro, compreso quello standard, sono elettricamente neutri, mentre gli altri due sono caricati elettricamente (negativamente e positivamente).

"Abbiamo esplorato una gamma molto ampia di masse. La massa del protone, cioè il nucleo di idrogeno, è di circa un gigaelettronvolt. A sua volta, la massa del quark t, la più massiccia delle particelle elementari conosciute, è 173 gigaelettronvolt. Stavamo cercando tracce dell'esistenza di un Higgs carico nell'intervallo di massa da 90 gigaelettronvolt fino a 2000 gigaelettronvolt, " spiega la dottoranda Marzieh Bahmani (IFJ PAN).

Il team si è concentrato su quegli eventi di collisione tra quark e gluoni, in cui i bosoni di Higgs carichi verrebbero prodotti insieme al quark t, e poi decadde in un leptone tau (un equivalente molto più massiccio dell'elettrone) e il suo neutrino associato. In tali eventi, vengono emessi alcuni neutrini. Queste particelle interagiscono debolmente con la materia e sono invisibili ai rivelatori. Perciò, durante la selezione dei decadimenti, la quantità di energia mancante che i neutrini avrebbero portato via era importante.

Ai fini dell'analisi, I ricercatori di Cracovia hanno sviluppato e ottimizzato un metodo discriminante multivariato. La tecnica, sulla base di molte variabili accuratamente selezionate e correlazioni tra di esse, massimizza la discriminazione del segnale atteso dallo sfondo opprimente.

"All'interno della sensibilità attuale, possiamo dire al livello di confidenza del 95% che nell'intervallo selezionato di masse non abbiamo osservato bosoni di Higgs carichi. Questa è una limitazione molto forte per le nuove teorie. Intendiamo migliorarlo ulteriormente nel prossimo ciclo di analisi, tenendo conto di tutti i dati della seconda corsa dell'acceleratore LHC recentemente completata. È ancora possibile che l'Higgs carico sia nascosto da qualche parte nell'intervallo di massa coperto dalla nostra analisi, ma non siamo ancora abbastanza sensibili per vedere il suo segnale, " afferma la dott.ssa Anna Kaczmarska (IFJ PAN).

I risultati dell'analisi, pubblicato in Journal of High Energy Physics , sono particolarmente utili per selezionare modelli teorici che vanno oltre la fisica conosciuta. Lo spazio dei parametri di questi modelli è stato notevolmente ridotto. Come conseguenza, le loro previsioni saranno più precise e più facili da verificare.