Da quando il bosone di Higgs è stato scoperto nel 2012, gli scienziati del Large Hadron Collider (LHC) hanno studiato le proprietà di questa particella molto speciale e la sua relazione con il meccanismo fondamentale essenziale alla generazione della massa delle particelle elementari. Una proprietà che resta da verificare sperimentalmente è se il bosone di Higgs è in grado di accoppiarsi a se stesso, noto come autoaccoppiamento. Tale interazione contribuirebbe alla produzione di una coppia di bosoni di Higgs nelle collisioni protone-protone ad alta energia di LHC, un processo incredibilmente raro nel Modello Standard, più di 1000 volte più raro della produzione di un singolo bosone di Higgs! La misurazione di un autoaccoppiamento del bosone di Higgs diverso dal valore previsto avrebbe importanti conseguenze; l'universo potrebbe essere in grado di passare a uno stato energetico inferiore e le leggi che governano le interazioni della materia potrebbero assumere una forma molto diversa.

Alla conferenza Rencontres de Moriond in corso, la collaborazione ATLAS ha presentato il risultato di uno studio che esplora ulteriormente questa questione. I fisici di ATLAS hanno cercato i due processi di produzione della coppia di Higgs intimamente correlati che potrebbero essere presenti nelle collisioni di LHC, anche se solo uno di questi è correlato all'autoaccoppiamento del bosone di Higgs e contribuisce favorevolmente alla produzione di coppie di Higgs quando la loro massa totale è bassa. Questi due processi interferiscono meccanicamente quantisticamente e sopprimono la produzione di coppie di bosoni di Higgs nel modello standard. Se è in gioco un nuovo fenomeno fisico, potrebbe cambiare l'autoaccoppiamento del bosone di Higgs e ATLAS potrebbe vedere più coppie di bosoni di Higgs del previsto, o nel gergo della fisica delle particelle, misurare una sezione maggiore.

Per il loro nuovo studio, I fisici di ATLAS hanno sviluppato nuove tecniche di analisi per cercare il raro processo in cui uno dei due bosoni di Higgs decade in due fotoni e l'altro decade in due quark bottom (HH → ɣɣbb). Primo, hanno diviso gli eventi di collisione protone-protone in regioni di massa bassa e alta, in modo da ottimizzare la sensibilità all'autoaccoppiamento del bosone di Higgs. Quindi, utilizzando un algoritmo di apprendimento automatico, hanno separato gli eventi che assomigliano al processo HH → ɣɣbb da quelli che non lo fanno. Finalmente, hanno determinato la sezione d'urto per la produzione della coppia di Higgs e hanno osservato come varia in funzione del rapporto tra l'autoaccoppiamento del bosone di Higgs e il suo valore del modello standard. Ciò ha permesso ad ATLAS di vincolare l'autoaccoppiamento del bosone di Higgs, tra –1,5 e 6,7 volte la previsione del Modello Standard, e anche la sezione trasversale della produzione della coppia di Higgs. Il risultato sull'autoaccoppiamento del bosone di Higgs è più del doppio più potente del precedente risultato ATLAS nello stesso canale di decadimento della coppia di Higgs.

Sebbene questo risultato imposti i migliori vincoli al mondo sulla dimensione dell'autoaccoppiamento del bosone di Higgs, il lavoro è appena iniziato. Questa è un'anteprima di ciò che verrà, poiché sarebbero necessari molti più dati per osservare l'autoaccoppiamento del bosone di Higgs se fosse vicino alla sua previsione del modello standard. Osservare l'autoaccoppiamento del bosone di Higgs è infatti una delle ragioni d'essere del programma High-Luminosity LHC (HL-LHC), un aggiornamento all'LHC programmato per iniziare le operazioni alla fine del 2020. Si prevede che HL-LHC fornisca un set di dati più di 20 volte più grande di quello utilizzato in questa analisi e operi a un'energia di collisione più elevata. Se la produzione della coppia Higgs è come previsto dal Modello Standard, dovrebbe essere osservato in questo enorme set di dati, e verrà fatta una dichiarazione più quantitativa sulla forza del bosone di Higgs che si accoppia a se stesso.