Dalla scoperta del bosone di Higgs nel 2012, gli scienziati delle collaborazioni ATLAS e CMS presso il Large Hadron Collider (LHC) hanno lavorato duramente per caratterizzare le sue proprietà e dare la caccia ai diversi modi in cui questa particella effimera può decadere. Dal decadimento copioso ma sperimentalmente impegnativo ai b-quark, al decadimento squisitamente raro ma di basso fondo in quattro leptoni, ognuno offre una strada diversa per studiare le proprietà di questa nuova particella. Ora, ATLAS ha trovato la prima prova del decadimento del bosone di Higgs in due leptoni (un elettrone o una coppia di muoni con carica opposta) e un fotone. Conosciuto come "decadimento di Dalitz, " questo è uno dei decadimenti del bosone di Higgs più rari mai visti all'LHC.

Per questa analisi, I fisici di ATLAS hanno preso di mira un decadimento del bosone di Higgs mediato da un fotone virtuale. In contrasto con la scuderia familiare, fotone senza massa, questa particella virtuale ha tipicamente una massa molto piccola (ma diversa da zero) e decade istantaneamente in due leptoni.

I fisici di ATLAS hanno cercato nell'intero set di dati di LHC Run 2 gli eventi di collisione con un fotone e due leptoni la cui massa combinata era inferiore a 30 GeV. In questa regione, decadimenti con fotoni virtuali dovrebbero dominare su altri processi che producono lo stesso stato finale. ATLAS ha misurato una velocità del segnale del bosone di Higgs in questo canale di decadimento che è 1,5 ± 0,5 volte l'aspettativa dal modello standard. La possibilità che il segnale osservato sia stato causato da una fluttuazione in background è di 3,2 sigma, meno di 1 su 1000.

Con grandi quantità di dati attesi dal prossimo programma LHC ad alta luminosità, studiare rari decadimenti del bosone di Higgs diventerà la nuova norma. Ciò consentirà ai fisici di passare dal riportare prove della loro esistenza, a confermare la loro osservazione e condurre studi dettagliati sulle proprietà del bosone di Higgs, portando a test sempre più severi del Modello Standard.

L'osservazione del decadimento del bosone di Higgs in una coppia di fotoni e leptoni consentirà ai fisici di studiare la simmetria della parità di carica (CP). La simmetria CP è un modo per dire che l'immagine speculare delle particelle interagenti, dove le particelle sono sostituite dalle loro antiparticelle, dovrebbe apparire esattamente uguale all'interazione originale. Questo era un presupposto naturale fino al 1964, quando i fisici che studiavano le particelle di kaone hanno notato, con loro grande sorpresa, che questo non è il caso nel mondo della fisica delle particelle. Da allora, i fisici hanno appreso che la violazione della simmetria CP è una firma dell'interazione elettrodebole e l'hanno incorporata nel Modello Standard.

Ma con il bosone di Higgs che decade in tre particelle, di cui due a pagamento, i fisici saranno in grado di esaminare se i decadimenti hanno una direzione preferita, consentendo ai ricercatori di migliorare la loro comprensione delle origini della violazione della simmetria CP e forse anche portando a suggerimenti per una nuova fisica oltre il modello standard.