Eventi di collisione registrati da ATLAS (a sinistra) e CMS (a destra), utilizzato nella ricerca di rare trasformazioni del bosone di Higgs. Credito:CERN
Le collaborazioni ATLAS e CMS hanno presentato i loro ultimi risultati sulle nuove firme per il rilevamento del bosone di Higgs al Large Hadron Collider del CERN. Questi includono ricerche di rare trasformazioni del bosone di Higgs in un bosone Z, che è portatore di una delle forze fondamentali della natura, e una seconda particella. Osservare e studiare le trasformazioni che si prevede siano rare aiuta a far progredire la nostra comprensione della fisica delle particelle e potrebbe anche indicare la strada verso una nuova fisica se le osservazioni differiscono dalle previsioni. I risultati includevano anche ricerche di segni di trasformazioni di Higgs in particelle "invisibili", che potrebbe illuminare potenziali particelle di materia oscura. Le analisi hanno coinvolto quasi 140 femtobarns inversi di dati, o circa 10 milioni di miliardi di collisioni protone-protone, registrati tra il 2015 e il 2018.
I rivelatori ATLAS e CMS non possono mai vedere direttamente un bosone di Higgs:una particella effimera, si trasforma (o "decadimento") in particelle più leggere quasi immediatamente dopo essere stato prodotto in collisioni protone-protone, e le particelle più leggere lasciano tracce rivelatrici nei rivelatori. Però, firme simili possono essere prodotte da altri processi del Modello Standard. Gli scienziati devono quindi prima identificare i singoli pezzi che corrispondono a questa firma e quindi raccogliere prove statistiche sufficienti per confermare che le collisioni abbiano effettivamente prodotto bosoni di Higgs.
Quando è stato scoperto nel 2012, il bosone di Higgs è stato osservato principalmente nelle trasformazioni in coppie di bosoni Z e coppie di fotoni. Questi cosiddetti "canali di decadimento" hanno firme relativamente pulite che li rendono più facilmente rilevabili, e sono stati osservati all'LHC. Si prevede che altre trasformazioni si verifichino solo molto raramente, o per avere una firma meno chiara, e sono quindi difficili da individuare.
A LHCP, ATLAS ha presentato gli ultimi risultati delle loro ricerche per uno di questi processi rari, in cui un bosone di Higgs si trasforma in un bosone Z e un fotone (γ). La Z così prodotta, stesso essere instabile, si trasforma in coppie di leptoni, sia elettroni che muoni, lasciando una firma di due leptoni e un fotone nel rivelatore. Data la bassa probabilità di osservare una trasformazione di Higgs in Z ? con il volume di dati analizzato, ATLAS è stata in grado di escludere la possibilità che più dello 0,55% dei bosoni di Higgs prodotti nell'LHC si trasformassero in Z ? . "Con questa analisi, "dice Karl Jakobs, portavoce della collaborazione ATLAS, "possiamo dimostrare che la nostra sensibilità sperimentale per questa firma è ora vicina alla previsione del modello standard". Il miglior valore estratto per la potenza del segnale H→Zγ, definito come il rapporto tra la resa del segnale del modello standard osservata e quella prevista, risulta essere 2.0 +1.0 -0.9 .
CMS ha presentato i risultati della prima ricerca di trasformazioni di Higgs che coinvolgono anche un bosone Z ma accompagnate da un mesone ρ (rho) o φ (phi). Il bosone Z si trasforma ancora una volta in coppie di leptoni, mentre la seconda particella si trasforma in coppie di pioni (ππ) nel caso della e in coppie di kaoni (KK) nel caso della φ. "Queste trasformazioni sono estremamente rare, "dice Roberto Carlin, portavoce della collaborazione CMS, "e non dovrebbero essere osservati all'LHC a meno che non sia coinvolta la fisica al di là del Modello Standard." I dati analizzati hanno permesso a CMS di escludere che più dell'1,9% circa dei bosoni di Higgs potesse trasformarsi in Zρ e più dello 0,6% in Zφ. Sebbene questi limiti siano molto maggiori delle previsioni del Modello Standard, dimostrano la capacità dei rivelatori di farsi strada nella ricerca della fisica oltre il Modello Standard.
Il cosiddetto "settore oscuro" comprende ipotetiche particelle che potrebbero costituire materia oscura, l'elemento misterioso che rappresenta più di cinque volte la massa della materia ordinaria nell'universo. Gli scienziati ritengono che il bosone di Higgs possa contenere indizi sulla natura delle particelle di materia oscura, poiché alcune estensioni del Modello Standard propongono che un bosone di Higgs possa trasformarsi in particelle di materia oscura. Queste particelle non interagirebbero con i rivelatori ATLAS e CMS, nel senso che rimangono "invisibili" per loro. Ciò consentirebbe loro di sfuggire al rilevamento diretto e di manifestarsi come "energia mancante" nell'evento di collisione. A LHCP, ATLAS ha presentato il suo ultimo limite superiore, del 13%, sulla probabilità che un bosone di Higgs possa trasformarsi in particelle invisibili note come particelle massicce che interagiscono debolmente, o WIMP, mentre CMS ha presentato i risultati di una nuova ricerca sulle trasformazioni di Higgs a quattro leptoni tramite almeno un "fotone scuro" intermedio, presentando anche limiti alla probabilità che tale trasformazione avvenga a LHC.
Il bosone di Higgs continua a dimostrarsi prezioso nell'aiutare gli scienziati a testare il modello standard della fisica delle particelle e a cercare la fisica che potrebbe trovarsi oltre. Questi sono solo alcuni dei tanti risultati riguardanti il bosone di Higgs che sono stati presentati a LHCP.
Nota tecnica
Quando i volumi di dati non sono sufficientemente elevati per rivendicare un'osservazione definita di un particolare processo, i fisici possono prevedere i limiti che si aspettano di porre al processo. Nel caso delle trasformazioni di Higgs, questi limiti si basano sul prodotto di due termini:la velocità con cui un bosone di Higgs viene prodotto nelle collisioni protone-protone (sezione d'urto di produzione) e la velocità con cui subirà una particolare trasformazione in particelle più leggere (frazione di ramificazione).
ATLAS si aspettava di porre un limite superiore di 1,7 volte l'aspettativa del Modello Standard per il processo che coinvolge le trasformazioni di Higgs in un bosone Z e un fotone (H→Zγ) se tale trasformazione non fosse presente; la collaborazione è stata in grado di porre un limite superiore di 3,6 volte questo valore, avvicinarsi alla sensibilità alle previsioni del Modello Standard. Le ricerche CMS erano per un processo molto più raro, previsto dal Modello Standard per verificarsi solo una volta ogni milione di trasformazioni di Higgs, e la collaborazione è stata in grado di stabilire limiti superiori di circa 1000 volte le aspettative del Modello Standard per i processi H→Zρ e H→Zφ.