Evento candidato per la produzione di fusione vettore-bosone di un bosone di Higgs con successivo decadimento in bosoni W a decadimento leptonico. Le particelle dello stato finale sono un elettrone (giallo), muone (turchese) e due getti anteriori (verde e rosso). La freccia bianca indica il momento trasversale mancante. Credito:Collaborazione ATLAS/CERN
La scoperta del bosone di Higgs nel 2012 è stato solo l'inizio. I fisici iniziarono immediatamente a misurarne le proprietà, un'indagine che è ancora in corso mentre cercano di svelare se il meccanismo di Higgs è realizzato in natura come previsto dal Modello Standard della fisica delle particelle. All'inizio di questa primavera, i ricercatori dell'ATLAS Experiment del CERN hanno annunciato di aver misurato il bosone di Higgs nei suoi decadimenti in bosoni W. I bosoni W sono particolarmente interessanti in questo contesto, in quanto le proprietà della loro autointerazione (scattering del bosone vettoriale) davano credibilità al meccanismo che predisse il bosone di Higgs.
I bosoni di Higgs prodotti al Large Hadron Collider (LHC) vivono una vita molto breve di soli 10 -22 secondi prima che decadano. Rivelano le loro proprietà al mondo esterno due volte:durante la loro produzione e il loro decadimento. Il nuovo risultato di ATLAS ha studiato il bosone di Higgs in entrambi questi momenti, osservando la sua produzione attraverso due diversi metodi e il suo successivo decadimento in due bosoni W (H➝WW*). Poiché un bosone di Higgs su cinque decade in bosoni W, è il canale ideale per studiarne l'accoppiamento ai bosoni vettoriali. I ricercatori si sono anche concentrati sui modi più comuni per produrre la famosa particella, tramite fusione di gluoni (ggF) e fusione di bosone vettore (VBF).
La misura dell'avocado
I fisici di ATLAS hanno quantificato la frequenza con cui il bosone di Higgs interagisce con i bosoni W. Dopo aver confrontato la loro misurazione e simulazione in un istogramma per dimostrare che potevano modellare accuratamente i dati (vedi Figura 3), i ricercatori hanno effettuato un'analisi statistica della sezione trasversale dei processi. Il risultato è mostrato in Figura 2, dove le modalità di produzione ggF e VBF sono mostrate separatamente sui due assi. Il risultato ATLAS è indicato con una stella, ed è circondato da bande marroni e verdi che rappresentano le incertezze. Se l'analisi dovesse essere ripetuta più volte su dati diversi, Il 68 o il 95% di queste ripetizioni dovrebbe rientrare nelle bande incluse.
Questo 'Avocado plot' amorevolmente battezzato non solo illustra i risultati sperimentali, ma anche la previsione del Modello Standard (indicata con una croce rossa). Ciò indica che il risultato della misurazione è in buon accordo con la previsione teorica. Se si osservasse una deviazione maggiore tra esperimento e teoria, potrebbe suggerire fenomeni attualmente sconosciuti. Nonostante il Modello Standard sia ben consolidato, è noto per essere incompleto, che motiva a cercare tali discrepanze.
Figura 2:Misura della sezione trasversale della produzione del bosone di Higgs tramite il processo di fusione dei gluoni (asse y) e di fusione del bosone vettore (asse x). La stella visualizza il valore della misura e incrocia il valore previsto dal Modello Standard (cerchiato da una linea che indica l'incertezza teorica). Entrambi concordano bene all'interno delle incertezze. Credito:Collaborazione ATLAS/CERN
Il nuovo giocatore
Solo di recente i fisici sono stati in grado di confermare che anche la modalità di produzione VBF contribuisce al processo H➝WW*. Ora, gli analizzatori hanno migliorato significativamente i loro risultati utilizzando una rete neurale, la stessa tecnica che consente ai computer di identificare le persone sulle immagini. Utilizzando questa rete neurale, sono stati in grado di migliorare notevolmente la separazione degli eventi VBF da quelli più frequenti ggF e da altri contributi di fondo.
Tra le poche decine di eventi le cui proprietà sono molto compatibili con la produzione VBF del bosone di Higgs, i ricercatori ne hanno selezionato uno per mostrare come appaiono questi eventi nel rilevatore (vedi display eventi). La modalità di produzione VBF si distingue per i due getti di adroni ben separati che raggiungono le regioni anteriori del rivelatore ATLAS. Si ritraggono contro le particelle di decadimento dei bosoni W:l'elettrone e il muone.
Figura 3:Gli eventi di dati selezionati per la modalità di produzione di ggF vengono confrontati con le previsioni in funzione della massa trasversale del bosone di Higgs. Il segnale del bosone di Higgs è mostrato in rosso sullo sfondo della produzione principalmente di quark top (giallo) e WW (viola). Il pannello centrale mostra il rapporto tra i dati e la somma di tutte le simulazioni, mentre il pannello inferiore confronta i dati con la somma di tutte le previsioni. Credito:Collaborazione ATLAS/CERN
Cosa c'è in serbo a lungo termine?
Da un punto di vista sperimentale, ha senso analizzare il bosone di Higgs in base a come decade nel rivelatore, sondare con precisione le caratteristiche del decadimento. Ma per misurare le proprietà del modo di produzione, diverse analisi focalizzate sul decadimento devono essere combinate. Per snellire questo processo, i fisici utilizzano sezioni trasversali modello semplificate (STXS). Questo classifica le collisioni di particelle in base alle proprietà associate alla modalità di produzione, consentendo così ai fisici di misurare individualmente tutti i tassi di eventi. Poiché la categorizzazione è standardizzata tra analisi e persino tra esperimenti, le combinazioni successive sono facilitate.
Nonostante i notevoli miglioramenti di questo nuovo risultato, il vero potere dell'approccio STXS risulterà evidente in combinazione con altre analisi. ATLAS ha prodotto una combinazione STXS lo scorso anno, e la prossima iterazione beneficerà della potenza di questa nuova misurazione H➝WW*.
