Due anni fa, il bosone di Higgs è stato osservato decadere in una coppia di quark di bellezza (H→bb), spostando il suo studio dall'"era della scoperta" all'"era della misurazione". Misurando le proprietà del bosone di Higgs e confrontandole con le previsioni teoriche, i fisici possono comprendere meglio questa particella unica, e nel processo, cercare deviazioni dalle previsioni che indicherebbero nuovi processi fisici oltre la nostra attuale comprensione della fisica delle particelle.

Una tale deviazione potrebbe essere la velocità con cui i bosoni di Higgs vengono prodotti in condizioni particolari. Maggiore è il momento trasversale del bosone di Higgs, cioè la quantità di moto del bosone di Higgs perpendicolare alla direzione dei fasci di protoni Large Hadron Collider (LHC):maggiore riteniamo sia la sensibilità ai nuovi processi fisici da pesanti, particelle ancora invisibili.

H→bb è il canale di ricerca ideale per ricercare tali deviazioni nella velocità di produzione. Come il decadimento più probabile del bosone di Higgs (che rappresenta circa il 58% di tutti i decadimenti del bosone di Higgs), la sua maggiore abbondanza consente ai fisici di sondare ulteriormente le regioni ad alto momento trasversale, dove il tasso di produzione diminuisce a causa della struttura composita dei protoni in collisione.

Nei nuovi risultati pubblicati questo mese, la collaborazione ATLAS al CERN ha studiato l'intero set di dati LHC Run 2 per fornire una misurazione aggiornata di H→bb, dove il bosone di Higgs è prodotto in associazione con un bosone vettore (W o Z). Tra i numerosi nuovi risultati, ATLAS riporta l'osservazione della produzione di bosone di Higgs in associazione con un bosone Z con una significatività di 5.3 deviazioni standard (σ), e prove di produzione con un bosone W con un significato di 4.0 .

La nuova analisi utilizza circa il 75% di dati in più rispetto all'edizione precedente. Ulteriore, I fisici di ATLAS hanno implementato diversi miglioramenti, tra cui:

• Algoritmi di apprendimento automatico Better Boosted Decision Tree (BDT) utilizzati per separare le collisioni contenenti un bosone di Higgs da quelle contenenti solo processi in background. La Figura 2 mostra la separazione ottenuta tra questi processi da uno dei BDT.
• Selezioni aggiornate utilizzate per identificare collisioni di interesse arricchite nei vari processi in background. Queste "regioni di controllo" hanno permesso ai fisici di acquisire una migliore comprensione e una gestione dei processi in background.
• Aumento del numero di collisioni simulate. Sebbene sia cruciale per prevedere gli sfondi in una misurazione, simulare collisioni attraverso il rivelatore ATLAS è un processo ad alta intensità di calcolo. In questa nuova analisi, i team di ATLAS hanno compiuto notevoli sforzi per aumentare il numero di collisioni simulate di un fattore quattro rispetto all'analisi precedente.

Questi miglioramenti hanno permesso ai fisici di ATLAS di effettuare misurazioni più precise della velocità di produzione del bosone di Higgs a diversi momenti trasversali, e di estendere la loro portata a valori più elevati.

I fisici di ATLAS hanno anche annunciato un'estensione allo studio H→bb:una nuova versione dell'analisi progettata per sondare il bosone di Higgs quando viene prodotto con momenti trasversali molto grandi. Normalmente, i due b-quark del decadimento H→bb si manifestano nel rivelatore ATLAS come due spruzzi separati di particelle altamente collimate ed energetiche, chiamati "getti". Però, quando il bosone di Higgs viene prodotto con un momento trasversale molto grande, superando il doppio della massa del bosone di Higgs di 125 GeV, il sistema H→bb è "potenziato". I due b-quark tendono quindi a essere prodotti vicini tra loro, fondendosi in un unico getto, come mostrato nel display eventi sopra. La nuova analisi ha utilizzato diversi algoritmi di ricostruzione b-jet sintonizzati su questo regime potenziato. Hanno permesso ai fisici di identificare decadimenti H→bb potenziati, ricostruire la massa del bosone di Higgs, e identificare un eccesso rispetto ai processi in background, come mostrato in Figura 3.

La nuova tecnica ha permesso ad ATLAS di esplorare lo spazio delle fasi del bosone di Higgs particolarmente interessante di grandi eventi di momento trasversale con maggiore efficienza. Ha inoltre permesso ai fisici di esaminare i bosoni di Higgs prodotti a valori di momento trasverso ancora più grandi, un importante progresso nella ricerca di nuova fisica.

Queste analisi sono passi vitali in un lungo viaggio verso la misurazione delle proprietà del bosone di Higgs. Mentre i fisici migliorano ulteriormente i loro algoritmi, migliorare la loro comprensione dei processi in background e raccogliere più dati, si avventurano sempre più in un territorio inesplorato dove potrebbe attendersi una nuova fisica.