Alla Conferenza della Società Europea di Fisica sulla Fisica delle Alte Energie (EPS-HEP) a Gand, Belgio, la collaborazione ATLAS al CERN ha rilasciato nuove misurazioni delle proprietà del bosone di Higgs utilizzando l'intero set di dati LHC Run 2. criticamente, i nuovi risultati esaminano due dei decadimenti del bosone di Higgs che hanno portato alla scoperta della particella nel 2012:H→ZZ*→4ℓ, dove il bosone di Higgs decade in due bosoni Z, decadendo a sua volta in quattro leptoni (elettroni o muoni); e H→γγ dove il bosone di Higgs decade direttamente in due fotoni.

Sebbene raro, questi canali sono facilmente identificabili e ben misurati nel rivelatore ATLAS, permettendo ai fisici di studiare le proprietà del bosone di Higgs con grande precisione. In particolare, forniscono nuove misurazioni del momento trasversale del bosone di Higgs, che può essere utilizzato per sondare diversi meccanismi di produzione di Higgs e possibili deviazioni dalle interazioni del Modello Standard.

Alla ricerca dell'oro:nuova visione del canale dei quattro leptoni

Il decadimento H→ZZ*→4ℓ è il cosiddetto "canale aureo" del bosone di Higgs, poiché ha la firma più chiara e pulita di tutti i possibili modi di decadimento del bosone di Higgs. Grazie alla maggiore luminosità di Run 2, ATLAS ha registrato circa 300 eventi candidati "canale d'oro" tra il 2015 e il 2018, di cui un terzo dovrebbe essere dovuto a processi in background ZZ. Lo spettro di massa invariante per gli eventi a quattro leptoni selezionati per i dati completi della corsa 2 può essere visualizzato nella Figura 1.

Oltre al maggior numero di eventi raccolti, I fisici di ATLAS hanno apportato miglioramenti alla loro analisi. Mentre il tasso di fondo ZZ è stato precedentemente stimato con simulazioni, associata a un'incertezza teorica, il nuovo risultato ATLAS utilizza i dati per valutare direttamente il contributo di fondo. Pur mantenendo la totale incertezza sullo sfondo circa la stessa, ciò ha ridotto significativamente l'incertezza teorica e la dipendenza dal modello della misurazione.

Il team di ATLAS ha anche introdotto le reti neurali di apprendimento profondo per distinguere quale degli eventi del bosone di Higgs proveniva da quali meccanismi di produzione. Questa tecnica consente al team ATLAS di migliorare l'identificazione se un bosone di Higgs è stato prodotto dalla fusione comune di una coppia di gluoni (ggF, che rappresenta l'87% dei decadimenti del bosone di Higgs), o dalla più rara fusione di due bosoni vettori W o Z (VBF—7% dei decadimenti) o dalla radiazione di un bosone W o Z (VH—4%). Una volta identificato con successo, i fisici di ATLAS potrebbero quindi misurare la sezione d'urto della produzione per ciascuno.

Le modalità di produzione VBF e VH possono essere abbastanza ben distinte dalla separazione e dalla massa dei "getti" di particelle che producono. Per VBF, i bosoni vettori sono irradiati da due quark, che formano getti energetici nel rivelatore lungo la direzione del raggio e negli emisferi opposti. Nel frattempo, la modalità di produzione VH produce anche due getti, con la massa del bosone W (80 GeV) o Z (91 GeV).

Però, i gluoni nella produzione di ggF possono anche irradiare getti extra, imitando così le coppie di getti VBF e VH. È qui che entrano in gioco le reti neurali di deep learning. Si sono dimostrate abbastanza flessibili da separare contemporaneamente ggF, VBF e VH con meno sovrapposizione rispetto alle precedenti tecniche di apprendimento automatico. Le sezioni trasversali della produzione di Higgs misurate nel canale dei quattro leptoni possono essere viste nella Figura 2, dove c'è un miglioramento del 20% sulla misura della sezione d'urto VBF grazie alla tecnica della rete neurale.

Due luci per vedere l'Higgs:studiare il canale a due fotoni

I fisici di ATLAS hanno anche incorporato tecniche di analisi nuove e migliorate nel loro studio del decadimento del bosone di Higgs in una coppia di fotoni (H→γγ). In particolare, l'identificazione potenziata dei fotoni e la calibrazione dell'energia del getto hanno portato a una riduzione delle incertezze sistematiche associate. I criteri della forma della doccia elettromagnetica utilizzati per identificare i fotoni e sopprimere i fotoni candidati indesiderati dai decadimenti degli adroni sono stati ora ottimizzati in sotto-intervalli del momento trasversale del fotone, poiché le piogge generate nel rivelatore dipendono dall'energia del fotone. Ciò ha portato a miglioramenti nella sensibilità di qualche punto percentuale.

I fisici hanno misurato diverse sezioni d'urto differenziali per osservabili sensibili alla produzione e al decadimento del bosone di Higgs, comprese le distribuzioni cinematiche dei getti prodotti in associazione con il bosone di Higgs. Ci si aspetta che le interazioni oltre il modello standard tra il bosone di Higgs e i bosoni di gauge modifichino queste variabili, fornendo un eccellente test per la nuova fisica. Le misure inclusive e differenziali della sezione trasversale, determinati dai rendimenti degli eventi nel picco del segnale nella distribuzione di massa invariante del difotone (vedi Figura 3) sono risultati in buon accordo con le previsioni del modello standard. I fisici di ATLAS hanno utilizzato queste misurazioni per limitare la forza di ipotetiche interazioni oltre lo standard del modello del bosone di Higgs con i bosoni di gauge.

Inoltre, I fisici di ATLAS sono stati in grado di esaminare l'interazione tra il bosone di Higgs e il quark charm. Il bosone di Higgs non è ancora stato visto decadere per incantare i quark, che si prevede nel Modello Standard per avere una velocità venti volte inferiore rispetto ai decadimenti ai quark bottom, osservato per la prima volta da ATLAS e CMS nel 2018. Tuttavia, se la forza (o "l'accoppiamento") dell'interazione di Higgs con il quark charm fosse molto maggiore del previsto a causa di qualche nuovo processo fisico, questo influenzerebbe la distribuzione del momento misurato del bosone di Higgs. I fisici hanno cercato la firma di questo effetto:un eccesso di dati rispetto all'aspettativa teorica nella regione del basso momento del bosone di Higgs (vedi Figura 4). Tale eccesso non è stato osservato nei dati.

Intuizione combinata

La sezione d'urto totale della produzione del bosone di Higgs è stata misurata pari a 56,7 ± 6,3 pb con il canale di decadimento H→γγ, e 54,4 ± 5,6 pb con il canale H→ZZ*→4ℓ. Combinando i due canali, la sezione trasversale totale è 55,4 ± 4,3 pb, in accordo con la previsione del Modello Standard di 55,6 ± 2,5 pb. Anche la sezione d'urto differenziale per il momento trasversale del bosone di Higgs in entrambi i canali concorda, come si vede in Figura 4, e la loro combinazione si adatta alle previsioni del Modello Standard.

Grazie alle ottime prestazioni dell'LHC e del rivelatore ATLAS durante la Run 2, Gli studi ATLAS del bosone di Higgs stanno andando oltre la scoperta, in una nuova era di misurazioni di precisione che migliorano la nostra comprensione di questa particella. Il viaggio è appena iniziato!