I fisici delle particelle hanno rilevato per la prima volta un nuovo decadimento del bosone di Higgs, rivelando una leggera discrepanza nelle previsioni del Modello Standard e forse indicando una nuova fisica oltre ad esso. I risultati sono pubblicati sulla rivista Physical Review Letters .
Il bosone di Higgs, previsto teoricamente fin dagli anni '60, è stato finalmente rilevato nel 2012 presso il laboratorio del CERN in Europa. In quanto campo quantistico, permea tutto lo spazio, attraverso il quale si muovono altre particelle, acquisendo massa attraverso la loro interazione con il campo di Higgs che può essere approssimativamente immaginato come una sorta di resistenza al loro movimento.
Molte proprietà del bosone di Higgs, compreso il modo in cui interagisce con altre particelle e i campi associati, sono già state misurate per risultare coerenti con le previsioni del Modello Standard.
Ma una modalità di decadimento di Higgs che doveva ancora essere studiata era una previsione teorica secondo cui un bosone di Higgs occasionalmente decade e produce un fotone, il quanto di luce, e un bosone Z, che è una particella priva di carica che insieme ai due bosoni W trasporta la forza debole.
Gli scienziati delle collaborazioni ATLAS e CMS del CERN hanno utilizzato i dati delle collisioni protone-protone prelevati dalla Fase 2 dal 2015 al 2018 per cercare questo particolare decadimento di Higgs del fotone Z+. Il Large Hadron Collider (LHC) del CERN è l'acceleratore di particelle ad alta energia vicino a Ginevra, in Svizzera, che fa circolare i protoni in direzioni opposte facendoli scontrare in punti rilevatori specifici, milioni di volte al secondo.
Per questa corsa l'energia nella collisione dei due protoni è stata di 13 trilioni di elettronvolt, appena al di sotto dell'attuale massimo della macchina, che in unità più comprensibili è 2,1 microjoule. Si tratta dell'energia cinetica di una zanzara media, o di un granello di sale, che viaggia per un metro al secondo.
La teoria prevede che circa 15 volte ogni 10.000 decadimenti, il bosone di Higgs dovrebbe decadere in un bosone Z e in un fotone, il decadimento più raro nel Modello Standard. Lo fa producendo prima una coppia di quark top, o una coppia di bosoni W, che poi decadono a loro volta nello Z e nel fotone.
La collaborazione Atlas/CMS, frutto del lavoro di oltre 9.000 scienziati, ha rilevato un "rapporto di ramificazione" o frazione di decadimenti di 34 volte su 10.000 decadimenti, più o meno 11 su 10.000:2,2 volte il valore teorico.
La frazione misurata è troppo grande:3,4 deviazioni standard sopra il valore teorico, un numero ancora troppo piccolo per escludere un colpo di fortuna statistico. Tuttavia, la differenza relativamente grande suggerisce la possibilità di una discrepanza significativa dalla teoria che potrebbe essere dovuta alla fisica oltre il Modello Standard:nuove particelle che sono intermediari diversi dal quark top e dai bosoni W.
Una possibilità per la fisica oltre il Modello Standard è la supersimmetria, la teoria che postula una simmetria – una relazione – tra particelle con mezzo spin, chiamate fermioni, e spin intero, chiamate bosoni, con ogni particella conosciuta che ha un partner con spin diverso da un mezzo intero.
Molti fisici teorici sono da tempo sostenitori della supersimmetria poiché risolverebbe molti enigmi che affliggono il Modello Standard, come la grande differenza (10 24 ) tra le intensità della forza debole e della gravità, o perché la massa del bosone di Higgs, circa 125 gigaelettronvolt (GeV), è molto inferiore alla scala energetica della Grande Unificazione di circa 10 16 GeV.
Nell'esperimento, il bosone Z massiccio decade in circa 3 × 10 -25 secondi, molto prima che raggiungesse un rilevatore. Quindi gli sperimentatori hanno compensato osservando l'energia dei due elettroni o dei due muoni che il decadimento dello Z avrebbe prodotto, richiedendo che la loro massa combinata fosse maggiore di 50 GeV, una frazione significativa della massa dello Z di 91 GeV.
"Questo risultato molto interessante è stato ottenuto insieme alla collaborazione CMS. È, secondo la previsione del Modello Standard, lo stato finale del bosone di Higgs più raro, di cui abbiamo visto le prime prove", ha affermato Andreas Hoecker, portavoce della collaborazione ATLAS.
"Il decadimento avviene attraverso loop quantistici ed è quindi sensibile alla nuova fisica in modo simile, ma non proprio allo stesso modo, del decadimento a due fotoni, che ha contribuito alla scoperta del bosone di Higgs da parte di ATLAS e CMS nel 2012."
"Questo risultato è impressionante per diverse ragioni", ha aggiunto Monica Dunford della collaborazione ATLAS Physics. "Siamo in grado sperimentalmente di misurare con tale precisione questi processi molto rari. Sono un potente test del Modello Standard e delle possibili teorie che lo sottendono."
Dunford aggiunge che i gruppi hanno acquisito nuovi dati durante la Run 3 al CERN, iniziata nel luglio 2022, con 13,6 TeV di energia totale. Ancora più dati arriveranno dall’High Luminosity Large Hadron Collider, che fornirà circa cinque volte più collisioni protone-protone al secondo. Si prevede che HL-LHC sarà operativo nel 2028.
"Questi risultati sono un'anteprima di ciò che continueremo a essere in grado di ottenere", ha affermato Dunford.
Ulteriori informazioni: G. Aad et al, Evidence for the Higgs Boson Decay to a Z Boson and a Photon at the LHC, Physical Review Letters (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.021803
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