Figura 1:La distribuzione ponderata dell'angolo azimutale tra due getti nella regione del segnale utilizzata nella misurazione CP. I rendimenti del segnale e dello sfondo sono determinati dall'adattamento. I rapporti dati-simulazione sono mostrati nella parte inferiore del grafico. L'istogramma blu rappresenta il segnale misurato; le aree ombreggiate rappresentano l'incertezza totale. Credito:Collaborazione ATLAS/CERN
Per spiegare le masse dei bosoni elettrodeboli, i bosoni W e Z, i teorici negli anni '60 hanno postulato un meccanismo di rottura spontanea della simmetria. Mentre questo formalismo matematico è relativamente semplice, la sua pietra angolare, il bosone di Higgs, è rimasta nascosta per quasi 50 anni.
Dalla sua scoperta nel 2012, i ricercatori degli esperimenti ATLAS e CMS al Large Hadron Collider (LHC) del CERN hanno studiato instancabilmente le proprietà del bosone di Higgs. Hanno misurato la sua massa intorno a 125 GeV, ovvero circa 130 volte la massa del protone a riposo, e hanno scoperto che ha carica elettrica e spin pari a zero.
L'immagine speculare
I ricercatori hanno deciso di determinare le proprietà di parità del bosone di Higgs misurando i suoi decadimenti a coppie di bosoni W (H → WW*), Z bosoni (H → ZZ*) e ai fotoni (H → γγ). Attraverso queste misurazioni, hanno confermato che il bosone di Higgs ha anche parità di carica (CP). Ciò significa che, come previsto dal Modello Standard, le interazioni del bosone di Higgs con altre particelle non cambiano quando si "guarda" nello specchio CP.
Come qualsiasi distorsione in questo specchio CP (o "violazione CP nelle interazioni di Higgs"), come la miscela CP-dispari, indicherebbe la presenza di fenomeni non ancora scoperti, i fisici dell'LHC stanno esaminando molto attentamente i punti di forza degli accoppiamenti bosone di Higgs. Un nuovo risultato dalla Collaborazione ATLAS, rilasciato per la conferenza Higgs 2020, mira ad arricchire il quadro di Higgs studiando i suoi decadimenti WW*.
Un nuovo studio ATLAS esamina la natura CP dell'accoppiamento effettivo tra il bosone di Higgs e i gluoni (le particelle mediatrici della forza forte). Fino ad ora, la produzione indotta dalla fusione dei gluoni di un bosone di Higgs, in associazione con due getti di particelle, non era stato studiato in un'analisi dedicata. Lo studio di questo meccanismo di produzione è un ottimo modo per cercare segni di violazione di CP, poiché influenza la cinematica del bosone di Higgs, lasciando una traccia nell'angolo azimutale tra i getti misurati da ATLAS.
Figura 2:La distribuzione ponderata dell'angolo azimutale tra due getti nella regione del segnale utilizzata nella misurazione della polarizzazione. I rendimenti del segnale e dello sfondo sono determinati dall'adattamento. I rapporti dati-simulazione sono mostrati nella parte inferiore del grafico. L'istogramma rosso rappresenta il segnale misurato; le aree ombreggiate rappresentano l'incertezza totale Credito:ATLAS Collaboration/CERN
Filtro di polarizzazione
Ad alte energie, le forze debole ed elettromagnetica si fondono in un'unica forza elettrodebole. Eppure a basse energie, le onde elettromagnetiche (come la luce) possono percorrere una distanza infinita, mentre le interazioni deboli hanno un intervallo finito. Questo perché a differenza dei fotoni (i portatori della forza elettromagnetica), I bosoni W e Z sono massicci. Le loro masse provengono dalle interazioni con il campo di Higgs.
Un'altra differenza è che le onde elettromagnetiche sono trasversali; le oscillazioni del campo elettromagnetico si verificano solo nel piano perpendicolare alla sua propagazione. bosoni W e Z, d'altra parte, hanno polarizzazioni sia longitudinali che trasversali a causa delle loro interazioni con il campo di Higgs. C'è una sottile interazione tra queste polarizzazioni longitudinali e le masse dei bosoni che assicura che le previsioni del Modello Standard rimangano finite.
Se il bosone di Higgs non fosse una particella scalare fondamentale, e invece un'entità che nasce da nuove dinamiche, un meccanismo diverso (più complicato) dovrebbe dare massa ai bosoni W e Z. In tal caso, gli accoppiamenti bosone di Higgs misurati con bosoni elettrodeboli possono deviare dai valori previsti dal Modello Standard.
La collaborazione ATLAS ha pubblicato il suo primo studio sui singoli accoppiamenti di bosone di Higgs dipendenti dalla polarizzazione a bosoni elettrodeboli massicci. Nello specifico, i fisici hanno esaminato la produzione di bosoni di Higgs attraverso la fusione del bosone vettore in associazione con due getti. Proprio come un filtro polarizzatore ti aiuta a scattare una foto più nitida in una spiaggia assorbendo selettivamente la luce polarizzata, questo nuovo studio ATLAS ha studiato i singoli accoppiamenti bosone di Higgs con bosoni elettrodeboli polarizzati longitudinalmente e trasversalmente. Ulteriore, simile allo studio dell'accoppiamento del bosone di Higgs ai gluoni, la presenza di un nuovo meccanismo impatterebbe sulla cinematica dei getti misurata da ATLAS.
Segui quei getti!
La sfida principale di queste analisi è la rarità degli eventi del bosone di Higgs oggetto di studio. Per le selezioni di segnale studiate nel nuovo risultato ATLAS, solo circa 60 bosoni di Higgs vengono osservati tramite fusione gluonica e solo 30 bosoni di Higgs tramite fusione bosone vettore. Nel frattempo, gli eventi di fondo sono quasi cento volte più abbondanti. Per affrontare questa sfida, entrambe le analisi non solo hanno contato gli eventi, ma hanno anche esaminato le forme dell'angolo azimutale (l'angolo trasversale alla direzione dei fasci di protoni) tra i due getti. La correlazione tra questi getti ha aiutato a risolvere le proprietà della produzione del bosone di Higgs.
I ricercatori hanno utilizzato la tecnica del morphing dei parametri per interpolare ed estrapolare la distribuzione di questo angolo da un piccolo insieme di parametri di accoppiamento a una grande varietà di scenari di accoppiamento. Le distribuzioni adattate dell'angolo azimutale tra i getti sono mostrate nelle Figure 1 e 2.
Finora, entrambe le distribuzioni non mostrano alcun segno di nuova fisica. Una volta analizzati i dati di LHC (questi studi includono solo i dati raccolti nel 2015 e nel 2016), le aree ombreggiate nei grafici che rappresentano l'incertezza della misura dovrebbero diminuire. Ciò fornirà un'immagine ancora più nitida del bosone di Higgs.
