Al 40° convegno ICHEP, gli esperimenti ATLAS e CMS hanno annunciato nuovi risultati che mostrano che il bosone di Higgs decade in due muoni. Il muone è una copia più pesante dell'elettrone, una delle particelle elementari che costituiscono il contenuto di materia dell'Universo. Mentre gli elettroni sono classificati come particelle di prima generazione, i muoni appartengono alla seconda generazione. Il processo fisico del decadimento del bosone di Higgs in muoni è un fenomeno raro poiché solo un bosone di Higgs su 5000 decade in muoni. Questi nuovi risultati hanno un'importanza fondamentale per la fisica fondamentale perché indicano per la prima volta che il bosone di Higgs interagisce con le particelle elementari di seconda generazione.

I fisici del CERN studiano il bosone di Higgs sin dalla sua scoperta nel 2012 per sondare le proprietà di questa particella molto speciale. Il bosone di Higgs, prodotto da collisioni di protoni al Large Hadron Collider, si disintegra, indicato come decadimento, quasi istantaneamente in altre particelle. Uno dei metodi principali per studiare le proprietà del bosone di Higgs è analizzare come decade nelle varie particelle fondamentali e la velocità di disintegrazione.

CMS ha ottenuto prove di questo decadimento con 3 sigma, il che significa che la possibilità di vedere il bosone di Higgs decadere in una coppia di muoni dalla fluttuazione statistica è inferiore a uno su 700. Il risultato di due sigma di ATLAS significa che le probabilità sono una su 40. La combinazione di entrambi i risultati aumenterebbe la significatività ben al di sopra di 3 sigma e fornisce una forte evidenza del decadimento del bosone di Higgs in due muoni.

"CMS è orgoglioso di aver raggiunto questa sensibilità al decadimento dei bosoni di Higgs in muoni, e per mostrare le prime prove sperimentali di questo processo. Il bosone di Higgs sembra interagire anche con particelle di seconda generazione in accordo con la previsione del Modello Standard, un risultato che sarà ulteriormente affinato con i dati che prevediamo di raccogliere nella prossima run, " ha detto Roberto Carlin, portavoce dell'esperimento CMS.

Il bosone di Higgs è la manifestazione quantistica del campo di Higgs, che dà massa alle particelle elementari con cui interagisce, tramite il meccanismo di Brout-Englert-Higgs. Misurando la velocità con cui il bosone di Higgs decade in diverse particelle, i fisici possono dedurre la forza della loro interazione con il campo di Higgs:maggiore è il tasso di decadimento in una data particella, più forte è la sua interazione con il campo. Finora, gli esperimenti ATLAS e CMS hanno osservato che il bosone di Higgs decade in diversi tipi di bosoni come W e Z, e fermioni più pesanti come i leptoni tau. L'interazione con i quark più pesanti, la parte superiore e inferiore, è stato misurato nel 2018. I muoni sono molto più leggeri in confronto e la loro interazione con il campo di Higgs è più debole. Le interazioni tra il bosone di Higgs e i muoni avevano, perciò, mai visto prima all'LHC.

"Questa prova del decadimento del bosone di Higgs in particelle di materia di seconda generazione integra un programma di fisica Higgs Run 2 di grande successo. Le misurazioni delle proprietà del bosone di Higgs hanno raggiunto un nuovo stadio di precisione e le modalità di decadimento rare possono essere affrontate. Questi risultati si basano sul grande set di dati LHC, l'eccezionale efficienza e prestazioni del rivelatore ATLAS e l'uso di nuove tecniche di analisi, " ha detto Karl Jakobs, portavoce di ATLAS.

Ciò che rende questi studi ancora più impegnativi è che, all'LHC, per ogni predetto bosone di Higgs che decade a due muoni, ci sono migliaia di coppie di muoni prodotte attraverso altri processi che imitano la firma sperimentale attesa. La firma caratteristica del decadimento del bosone di Higgs a muoni è un piccolo eccesso di eventi che si raggruppano vicino a una massa di coppia di muoni di 125 GeV, che è la massa del bosone di Higgs. Isolare il bosone di Higgs alle interazioni coppia di muoni non è un'impresa facile. Fare così, entrambi gli esperimenti misurano l'energia, quantità di moto e angoli di muoni candidati dal decadimento del bosone di Higgs. Inoltre, la sensibilità delle analisi è stata migliorata attraverso metodi come sofisticate strategie di modellazione di sfondo e altre tecniche avanzate come algoritmi di apprendimento automatico. CMS ha combinato quattro analisi separate, ciascuno ottimizzato per categorizzare eventi fisici con possibili segnali di una specifica modalità di produzione del bosone di Higgs. ATLAS ha diviso i suoi eventi in 20 categorie che miravano a specifiche modalità di produzione del bosone di Higgs.

I risultati, che sono finora coerenti con le previsioni del Modello Standard, utilizzato l'intero set di dati raccolti dalla seconda esecuzione di LHC. Con più dati da registrare dalla prossima corsa dell'acceleratore di particelle e con l'LHC ad alta luminosità, le collaborazioni ATLAS e CMS prevedono di raggiungere la sensibilità (5 sigma) necessaria per stabilire la scoperta del decadimento del bosone di Higgs a due muoni e vincolare possibili teorie della fisica oltre il Modello Standard che influenzerebbero questa modalità di decadimento del bosone di Higgs.