Figura 2:Distribuzione di massa Zγ ponderata degli eventi che soddisfa la selezione H→Zγ nei dati. Gli eventi sono pesati in base al segnale previsto e allo sfondo in una finestra di massa Zγ contenente il 68% del segnale previsto. La curva blu continua mostra il segnale adattato più il modello di sfondo, mentre la linea tratteggiata mostra il modello del componente di sfondo dell'adattamento. Credito:Collaborazione ATLAS/CERN
Il bosone di Higgs è stato scoperto dalle collaborazioni ATLAS e CMS al Large Hadron Collider (LHC) del CERN nel 2012 attraverso i suoi decadimenti in coppie di fotoni, Bosoni W e bosoni Z. Da allora, i fisici di questi esperimenti hanno acquisito una grande comprensione delle proprietà del bosone di Higgs attraverso lo studio dei suoi diversi processi di produzione e decadimento. Sono stati stabiliti i decadimenti di coppie di leptoni tau e quark bottom, così come l'accoppiamento con i quark top. Però, resta la domanda se il bosone di Higgs possa interagire anche con particelle o forze ancora sconosciute.
Otto anni dopo la sua scoperta, ATLAS ha osservato quasi il 90% di tutti i decadimenti del bosone di Higgs previsti dal Modello Standard. Un raro decadimento del bosone di Higgs che deve ancora essere visto è quello di un bosone Z e di un fotone (Zγ). Questo decadimento è di particolare interesse per i fisici poiché procede attraverso processi che coinvolgono particelle "virtuali" pesanti (possibilmente nuove), che potrebbe modificare il suo tasso.
La collaborazione ATLAS ha rilasciato un nuovo risultato alla ricerca del decadimento del bosone di Higgs in Zγ. Questo risultato utilizza l'intero set di dati LHC Run-2, analizzando quasi quattro volte il numero di eventi del bosone di Higgs rispetto al precedente risultato ATLAS.
Secondo il Modello Standard, Lo 0,15% dei bosoni di Higgs decadono in Zγ - una velocità paragonabile al decadimento del bosone di Higgs in due fotoni, uno dei canali di scoperta. Però, a differenza dei fotoni, I bosoni Z decadono quasi istantaneamente e non possono essere osservati direttamente. Anziché, i bosoni Z vengono ricostruiti attraverso i loro decadimenti in coppie di elettroni o muoni. Poiché meno del 7% dei bosoni Z decadono in questo modo, solo un piccolo segnale atteso di circa 1 su 10, 000 Bosoni di Higgs modello standard possono essere sondati.
Figura 1:Visualizzazione degli eventi di un candidato bosone di Higgs decadimento in un fotone e un bosone Z, dove il bosone Z decade in due muoni (mostrato in rosso). I rettangoli verdi corrispondono ai depositi di energia nelle celle del calorimetro elettromagnetico, mentre i rettangoli gialli corrispondono ai depositi di energia nelle celle del calorimetro adronico. Credito:Collaborazione ATLAS/CERN
Per separare gli eventi del bosone di Higgs da abbondanti processi in background, I fisici di ATLAS hanno eseguito un adattamento alla distribuzione della massa del bosone Z e del fotone ricostruiti. Questo adattamento determina simultaneamente il numero di eventi di segnale e di fondo utilizzando le diverse forme del segnale (picco stretto) e dei processi di fondo (distribuzione uniforme).
Per aumentare la sensibilità della ricerca, i fisici hanno separato i potenziali eventi del bosone di Higgs in più categorie, ciascuno con diversi rapporti segnale-sfondo previsti. Una di queste categorie, dove il bosone di Higgs è prodotto insieme a due getti in avanti attraverso l'interazione di due bosoni deboli, utilizzato un discriminante multivariato (o "albero decisionale potenziato") per distinguerlo dagli altri modi di produzione del bosone di Higgs. Altre categorie sono state caratterizzate dal momento del fotone o dal candidato del bosone di Higgs, o se il bosone Z è decaduto in coppie di elettroni o muoni.
I fisici hanno esaminato tutte queste categorie contemporaneamente, studiare la distribuzione della massa del bosone Z e del fotone ricostruiti in eventi selezionati per cercare un eccesso causato dai decadimenti dei bosoni di Higgs a Zγ. La Figura 2 mostra la distribuzione di massa del bosone Z più fotone combinata su tutte le categorie, con i risultati dell'adattamento sovrapposti.
Una resa del segnale circa il doppio di quella attesa dal Modello Standard, nei dati è stata riscontrata una significatività di 2,2 deviazioni standard (5 necessarie per dichiarare un'osservazione). Il risultato consente ai fisici di ATLAS di escludere, a un livello di confidenza del 95%, tassi di produzione superiori di oltre 3,6 rispetto a quanto previsto dal Modello Standard. Sono necessari più dati per affinare il decadimento del bosone di Higgs in Zγ.
