Il bosone di Higgs ha raggiunto la fama da un giorno all'altro nel 2012 quando è stato finalmente scoperto in un miscuglio di altre particelle generate al Large Hadron Collider (LHC) del CERN a Ginevra, Svizzera. La scoperta fu monumentale perché il bosone di Higgs, che era stato solo teorizzato in precedenza, ha la speciale proprietà di conferire massa ad altre particelle elementari. È anche estremamente raro e difficile da identificare nei detriti di particelle in collisione.

I fisici del Caltech hanno giocato un ruolo importante nella scoperta del bosone di Higgs, un risultato che è valso al fisico teorico Peter Higgs una quota del Premio Nobel per la Fisica 2013, e ora continuano a fare scoperte significative sui rari processi del bosone di Higgs.

Quest'estate, per la prima volta, fisici delle particelle che utilizzano i dati raccolti dall'esperimento noto come Compact Muon Solenoid (CMS) all'LHC, hanno trovato prove che il bosone di Higgs decade in una coppia di particelle elementari chiamate muoni. Il muone è una versione più pesante dell'elettrone, e sia i muoni che gli elettroni appartengono a una classe di particelle note come fermioni, come descritto nel modello di particelle ampiamente accettato chiamato Modello Standard. Il Modello Standard classifica tutte le particelle come fermioni o bosoni. In genere, i fermioni sono elementi costitutivi di tutta la materia, e i bosoni sono i portatori di forza.

Un muone è anche ciò che è noto come particella di seconda generazione. Le particelle fermioniche di prima generazione come gli elettroni sono le particelle più leggere; le particelle di seconda e terza generazione possono decadere per diventare particelle di prima generazione. La nuova scoperta rappresenta la prima prova che il bosone di Higgs interagisce con i fermioni di seconda generazione.

Inoltre, questo risultato fornisce un'ulteriore prova che il tasso di decadimento delle coppie di Higgs a fermione è proporzionale al quadrato della massa del fermione. Questa è una previsione chiave della teoria di Higgs. Con più dati, gli esperimenti di LHC dovrebbero confermare che effettivamente l'Higgs conferisce alle particelle fondamentali la loro massa.

"L'importanza di questa misurazione è che stiamo sondando processi rari che coinvolgono il bosone di Higgs, e siamo nel regime di indagine fisica di precisione di Higgs in cui qualsiasi deviazione dalle previsioni del modello standard può indicarci una nuova fisica, "dice Maria Spiropulu, il Professore di Fisica Shang-Yi Ch'en al Caltech.

Scienziati che analizzano i dati di un altro strumento presso l'LHC, noto come ATLAS (A Toroidale LHC ApparatuS), trovato anche prove corroboranti per il bosone di Higgs che decade in muoni. I risultati di entrambi gli esperimenti sono stati presentati alla 40a Conferenza internazionale sulla fisica delle alte energie nell'agosto 2020.

"Abbiamo bisogno di più dati e metodi di analisi intelligenti per confermare i nostri risultati, ma questa è la prima volta che vediamo prove che il bosone di Higgs decade in due muoni, "dice Irene Dutta (MS '20), un membro del team Caltech CMS e studente laureato nel laboratorio di Spiropulu. "Questo risultato convalida sperimentalmente che le previsioni del Modello Standard della fisica delle particelle sono esatte. Anche una piccola deviazione dal nostro modello ci direbbe che sta succedendo qualcos'altro, ma finora il Modello Standard rimane fermo, "dice Dutta.

La scoperta alla fine aiuterà gli scienziati a capire meglio come il bosone di Higgs fornisce massa ai fermioni. Il bosone di Higgs può essere pensato come il tremolio o l'eccitazione del campo di Higgs. Il campo di Higgs si comporta come uno sciroppo denso e quando le particelle si muovono attraverso di esso, acquistano massa; più lentamente le particelle si muovono attraverso il campo, più sono pesanti (vedi video per un'illustrazione metaforica del concetto).

"Vogliamo capire l'origine della massa nel nostro universo, " afferma Nan Lu, membro del team Caltech CMS, uno studioso postdottorato nel laboratorio di Spiropulu. "Il bosone di Higgs è uno strumento sperimentale per comprendere questo meccanismo, e potrebbe essere una maniglia per scoprire nuova fisica. Non possiamo osservare sistematicamente il bosone di Higgs o altre particelle elementari, tranne che nella loro manifestazione in collisioni di particelle ad alta energia, ma sono i mattoni fondamentali del nostro universo, "dice Lu.

Il team del Caltech ha contribuito alla nuova scoperta cercando bosoni di Higgs prodotti da un particolare meccanismo in cui vengono generate anche due particelle chiamate quark contemporaneamente (i quark sono un altro tipo di fermione). Questo processo è di particolare interesse perché i due quark offrono firme distinte per aiutare a identificare i bosoni di Higgs. Lu ha sviluppato il metodo per sondare la sensibilità della ricerca CMS per diverse masse del bosone di Higgs, migliorando così la fiducia dei risultati. Dutta ha lavorato per dimostrare la potenza di uno strumento metodologico avanzato di intelligenza artificiale (AI), nota come rete neurale profonda, per analizzare i dati di LHC.

Sia Dutta che Lu hanno contribuito a ricavare i risultati finali della sensibilità. L'ex studioso postdottorato del Caltech Joosep Pata, che ora è alla facoltà dell'Istituto Nazionale di Fisica Chimica e Biofisica in Estonia, ha sviluppato nuovi metodi per accelerare la complessa analisi computazionale utilizzata nel progetto.

"Sondare le proprietà del bosone di Higgs equivale a cercare una nuova fisica che sappiamo deve essere lì", ha detto Spiropulu. "Sono particolarmente orgoglioso del lavoro di Nan, Irene, Joosep, e l'intero gruppo Caltech CMS, il cui talento, diversità, e i risultati brillano nel panorama di una grande collaborazione internazionale."