Figura 1:Intervalli consentiti per i coefficienti di accoppiamento di nuove interazioni EFT. Il coefficiente cHq(3), Per esempio, descrive la forza di un'efficace interazione di quattro particelle tra due quark, un bosone di gauge e il bosone di Higgs – che non è presente nel Modello Standard. La previsione del modello standard per questi coefficienti è zero. Credito:Collaborazione ATLAS/CERN
I fisici del Large Hadron Collider (LHC) del CERN sono alla ricerca di fenomeni fisici oltre il modello standard. Alcune teorie prevedono che una particella non ancora scoperta potrebbe essere trovata sotto forma di una nuova risonanza (un picco stretto) simile a quella che ha annunciato la scoperta del bosone di Higgs nel 2012.
Però, La natura non è sempre così gentile e le nuove risonanze possono essere così massicce che la loro produzione richiede energie di collisione superiori a quelle dell'LHC. Se è così, non è tutto perduto. Proprio come un terreno in leggera pendenza può indicare la presenza di un picco di montagna più avanti, I dati di LHC possono contenere alcuni indizi che fenomeni interessanti sono presenti a scale energetiche più elevate.
Un modello molto efficace
Invece di cercare una nuova particella, i fisici possono cercare nuovi tipi di interazioni, non presente nel modello standard. Poiché i loro meccanismi sottostanti sono sconosciuti, queste interazioni sono chiamate interazioni "efficaci", e il loro quadro "teoria del campo efficace" (EFT). Quasi tutti i tipi di nuova fisica danno origine a queste nuove interazioni, con diversi modelli teorici che lasciano impronte diverse sull'EFT. Però, gli effetti possono essere sottili, specialmente se i fenomeni di grande massa sono ben oltre la portata dell'energia di collisione di LHC.
Poiché queste interazioni aggiuntive influenzerebbero tutti i processi fisici, gli scienziati dell'esperimento ATLAS stanno implementando una nuova strategia di ricerca che combina le misurazioni nell'intero spettro del loro programma di ricerca. Una nuova analisi ATLAS rilasciata oggi utilizza misurazioni combinate delle proprietà del bosone di Higgs per cercare segni di nuovi fenomeni utilizzando questo framework EFT. Poiché non sono stati osservati tali nuovi fenomeni, i fisici fissano dei limiti alla loro grandezza. Tra tutte le possibili nuove interazioni tra le particelle del modello standard, è stato possibile testare solo un sottoinsieme relativo al bosone di Higgs (quelli studiati nella misurazione combinata originale, che include il decadimento del bosone di Higgs in due b-quark, due fotoni, e quattro leptoni).
La Figura 1 mostra gli intervalli consentiti per i coefficienti di accoppiamento di nuove interazioni EFT a cui l'analisi ATLAS è sensibile. Il modello standard richiede che tutti questi coefficienti siano zero, poiché le interazioni non sono presenti. Deviazioni significative positive o negative indicherebbero nuovi fenomeni.
Tutte le misurazioni ATLAS sono compatibili con il modello standard, indicando che se è presente una nuova fisica, è o a scale energetiche maggiori di 1 TeV (la scala di massa di riferimento per la quale sono riportati questi risultati) o si manifesta in altre interazioni non sondate da questo studio. Intanto, grazie alla progettazione dell'analisi, i risultati possono essere aggiunti a combinazioni più ampie, con misurazioni EFT ottenute in altri canali di misurazione e anche in altri esperimenti.
Figura 2:Intervalli di esclusione per lo scenario Mh125(χ), in termini di due parametri del modello:la massa dello pseudoscalare A e un altro parametro del modello, abbronzatura , che insieme ed in prima approssimazione determinano il settore esteso del bosone di Higgs del MSSM. Le aree tratteggiate in blu e viola sono escluse dalle ricerche dirette e l'area gialla è esclusa dalla nuova misurazione basata sulle proprietà del bosone di Higgs. L'area grigia è esclusa poiché la massa del bosone di Higgs MSSM risultante non sarebbe compatibile con il valore misurato di 125,09 GeV. Credito:Collaborazione ATLAS/CERN
Una super modella
Il modello standard supersimmetrico minimo (MSSM) è un'estensione del modello standard, che prevede (oltre a una pletora di altre nuove particelle) un totale di 5 bosoni di Higgs:due scalari (h e H), uno pseudoscalare (A), e due bosoni di Higgs carichi (H +/- ) – così come possibili modifiche alle interazioni del bosone di Higgs da 125 GeV osservato.
I fisici usano due strategie complementari per cercare indizi sull'MSSM:cercare direttamente nuove particelle, o indirettamente attraverso misurazioni precise delle proprietà del bosone di Higgs. In un'altra nuova analisi rilasciata dalla collaborazione ATLAS, i ricercatori hanno seguito quest'ultima strategia, utilizzando l'ultima combinazione di misurazioni degli accoppiamenti di Higgs in tutti i canali di decadimento accessibili per impostare vincoli sui parametri MSSM. Hanno esplorato diversi scenari di benchmark MSSM, tutto ciò presupponeva che il bosone di Higgs da 125 GeV fosse lo scalare h più leggero.
Un esempio è mostrato in Figura 2, in cui alcune delle nuove particelle previste nel modello sono relativamente leggere. Mostra che non solo sono esclusi ampi intervalli di spazio dei parametri, ma che queste esclusioni si integrano bene anche con quelle delle ricerche dirette eseguite in precedenza.
Finora, vince il modello standard
I nuovi risultati di ATLAS pongono vincoli alla possibile natura della nuova fisica nell'ambito dell'EFT ed escludono ampie aree dello spazio dei parametri negli scenari MSSM. Il loro successo è solo il primo passo nella nuova strategia di ricerca di misurazioni combinate. Ampliando l'ambito delle misurazioni future per includere più analisi, comprese quelle che coinvolgono bosoni vettoriali e quark top, e aggiungendo più dati, i fisici intendono dare al modello standard una sfida ancora più ardua.
