Il bosone di Higgs potrebbe ancora sorprenderci? Dalla sua scoperta nel 2012, le collaborazioni ATLAS e CMS del CERN hanno studiato attivamente le proprietà di questa ultima e più misteriosa aggiunta al Modello standard della fisica delle particelle.

Nel modello standard, il meccanismo di Brout-Englert-Higgs prevede che il bosone di Higgs interagirà con le particelle di materia (quark e leptoni, noti come fermioni) con una forza proporzionale alla massa della particella. Prevede anche che il bosone di Higgs interagirà con le particelle portatrici di forza (bosoni W e Z) con una forza proporzionale al quadrato della massa della particella. Perciò, misurando il decadimento del bosone di Higgs e i tassi di produzione, che dipendono dalla forza di interazione con queste altre particelle, I fisici di ATLAS possono eseguire un test fondamentale del Modello Standard.

La settimana scorsa, al Conferenza della Società Europea di Fisica sulla Fisica delle Alte Energie (EPS-HEP) a Gand, Belgio, la collaborazione ATLAS rilasciato un nuovo risultato preliminare alla ricerca del bosone di Higgs decade in una coppia di muoni e antimuoni (H → μμ). Il nuovo, risultato più sensibile utilizza l'intero set di dati della corsa 2, analizzando quasi il doppio degli eventi del bosone di Higgs rispetto al precedente risultato ATLAS (pubblicato nel 2018, per il convegno ICHEP).

Entrambe le collaborazioni ATLAS e CMS hanno già osservato il bosone di Higgs decadere in tau leptone, il cugino più pesante del muone, appartenenti alla terza "generazione" di fermioni. Poiché i muoni sono molto più leggeri dei leptoni tau, si prevede che il decadimento del bosone di Higgs a una coppia di muoni avvenga circa 300 volte meno spesso di quello a una coppia tau-leptone. Nonostante questa scarsità, il decadimento H → μμ offre la migliore opportunità per misurare l'interazione di Higgs con fermioni di seconda generazione all'LHC, fornendo nuove informazioni sull'origine della massa per diverse generazioni di fermioni.

Sperimentalmente, ATLAS è ben attrezzato per identificare e ricostruire coppie di muoni. Combinando le misurazioni del rivelatore interno ATLAS e dello spettrometro per muoni, i fisici possono ottenere una buona risoluzione del momento muonico. Però, devono anche spiegare la creazione di muoni da uno sfondo comune:l'abbondante "processo Drell-Yan", dove viene prodotta una coppia di muoni tramite lo scambio di un bosone Z virtuale o di un fotone. Per aiutare a differenziare il segnale H → μμ da questo sfondo, I team ATLAS utilizzano discriminanti multivariati (alberi decisionali potenziati), che sfruttano le diverse proprietà di produzione e decadimento di ogni evento. Per esempio, Gli eventi di segnale H → μμ sono caratterizzati da un sistema di coppie di muoni più centrale e da un momento più grande nel piano trasversale ai protoni in collisione.

Per aumentare ulteriormente la sensibilità della ricerca, i fisici separano i potenziali eventi H → μμ in più categorie, ciascuno con diversi rapporti segnale-sfondo previsti. Esaminano ciascuna categoria separatamente, studiare la distribuzione della massa della coppia di muoni degli eventi selezionati. Il segnale e le abbondanze di fondo potrebbero quindi essere determinate simultaneamente da un adattamento allo spettro di massa, sfruttando le diverse forme del segnale e dei processi di fondo. La Figura 2 mostra la distribuzione di massa della coppia di muoni risultante combinata su tutte le categorie.

Nel nuovo risultato ATLAS, nessun eccesso significativo di eventi al di sopra del fondo misurato è stato osservato nella regione del segnale intorno alla massa del bosone di Higgs di 125 GeV. La significatività del segnale osservato è di 0,8 deviazioni standard per 1,5 deviazioni standard previste dal modello standard. Un limite superiore per la sezione d'urto della produzione del bosone di Higgs per la frazione di ramificazione in muoni è stato fissato a 1,7 volte la previsione del modello standard al livello di confidenza del 95%. Questo nuovo risultato rappresenta un miglioramento di circa il 50% rispetto ai precedenti risultati ATLAS.