Alla 40a conferenza ICHEP, gli esperimenti ATLAS e CMS hanno annunciato nuovi risultati che mostrano come il bosone di Higgs decade in due muoni. Il muone è una copia più pesante dell’elettrone, una delle particelle elementari che costituiscono il contenuto di materia dell’Universo. Mentre gli elettroni sono classificati come particelle di prima generazione, i muoni appartengono alla seconda generazione.
Il processo fisico del bosone di Higgs che decade in muoni è un fenomeno raro poiché solo un bosone di Higgs su 5.000 decade in muoni. Questi nuovi risultati hanno un’importanza fondamentale per la fisica fondamentale perché indicano per la prima volta che il bosone di Higgs interagisce con le particelle elementari di seconda generazione.
Il bosone di Higgs e le particelle elementari: una coppia di muoni
I fisici del CERN hanno studiato il bosone di Higgs sin dalla sua scoperta nel 2012, per sondare le proprietà di questa particella molto speciale. Il bosone di Higgs, prodotto dalle collisioni di protoni al Large Hadron Collider (LHC), si disintegra, in un processo denominato decadimento, quasi istantaneamente, in altre particelle. Uno dei metodi principali per studiare le proprietà del bosone di Higgs è analizzare come decade nelle varie particelle fondamentali e la velocità di disintegrazione.
CMS ha ottenuto la prova di questo decadimento con 3 sigma, il che significa che la possibilità di vedere il bosone di Higgs decadere in una coppia di muoni dalla fluttuazione statistica è inferiore a uno su 700. Il risultato a due-sigma di ATLAS significa che le probabilità sono una su 40. La combinazione di entrambi i risultati aumenterebbe il significato ben al di sopra di 3 sigma e fornisce una forte evidenza per il decadimento del bosone di Higgs a due muoni.
“CMS è orgogliosa di aver raggiunto questa sensibilità al decadimento dei bosoni di Higgs in muoni e di mostrare le prime prove sperimentali di questo processo. Il bosone di Higgs sembra interagire anche con particelle di seconda generazione, in accordo con la previsione del Modello Standard, un risultato che sarà ulteriormente affinato con i dati che ci aspettiamo di raccogliere nel prossimo Run”, ha detto Roberto Carlin, portavoce del CMS.
Il bosone di Higgs e le particelle elementari: la velocità di decadimento
Il bosone di Higgs è la manifestazione quantistica del campo di Higgs, che dà massa alle particelle elementari con cui interagisce, tramite il meccanismo di Brout-Englert-Higgs. Misurando la velocità con cui il bosone di Higgs decade in particelle diverse, i fisici possono dedurre la forza della loro interazione con il campo di Higgs: maggiore è la velocità di decadimento in una data particella, più forte è la sua interazione con il campo.
Finora, gli esperimenti ATLAS e CMS hanno osservato che il bosone di Higgs decade in diversi tipi di bosoni, come W e Z, e fermioni più pesanti, come i leptoni tau. L’interazione con i quark più pesanti, quello superiore e inferiore, è stata misurata nel 2018. I muoni sono molto più leggeri in confronto e la loro interazione con il campo di Higgs è più debole. Pertanto, le interazioni tra il bosone di Higgs e i muoni non erano state osservate in precedenza al Large Hadron Collider.
“Questa prova del decadimento del bosone di Higgs in particelle di materia di seconda generazione integra un programma di fisica Run 2 Higgs di grande successo. Le misurazioni delle proprietà del bosone di Higgs hanno raggiunto un nuovo stadio di precisione e possono essere affrontate rare modalità di decadimento. Questi risultati si basano sull’ampio set di dati LHC, sull’eccezionale efficienza e sulle prestazioni del rivelatore ATLAS e sull’uso di nuove tecniche di analisi”, ha affermato Karl Jakobs, portavoce di ATLAS.
Il bosone di Higgs e le particelle elementari: migliaia di coppie di muoni
Ciò che rende questi studi ancora più impegnativi è che, all’LHC, per ogni bosone di Higgs previsto che decade in due muoni, ci sono migliaia di coppie di muoni prodotte attraverso altri processi che imitano la firma sperimentale prevista. La firma caratteristica del decadimento del bosone di Higgs in muoni è un piccolo eccesso di eventi che si raggruppano vicino a una massa di coppia di muoni di 125 GeV, che è la massa del bosone di Higgs. Isolare le interazioni tra bosone di Higgs e coppie di muoni non è un’impresa facile.
Per fare ciò, entrambi gli esperimenti misurano l’energia, la quantità di moto e gli angoli dei muoni candidati dal decadimento del bosone di Higgs. Inoltre, la sensibilità delle analisi è stata migliorata grazie a metodi come sofisticate strategie di modellazione in background e altre tecniche avanzate come algoritmi di apprendimento automatico. CMS ha combinato quattro analisi separate, ciascuna ottimizzata per classificare gli eventi fisici con possibili segnali di una specifica modalità di produzione del bosone di Higgs. ATLAS ha suddiviso i propri eventi in 20 categorie che hanno mirato a specifiche modalità di produzione del bosone di Higgs.
Il bosone di Higgs e le particelle elementari: sensibilità di 5 sigma
I risultati, che sono finora coerenti con le previsioni del modello standard, hanno utilizzato l’intero set di dati raccolti dalla seconda esecuzione dell’LHC. Con più dati da registrare dalla prossima esecuzione dell’acceleratore di particelle e con l’High-Luminosity LHC, le collaborazioni ATLAS e CMS prevedono di raggiungere la sensibilità di 5 sigma, necessaria per stabilire la scoperta del decadimento del bosone di Higgs a due muoni e vincolare possibiie teorie della fisica oltre il Modello Standard, in grado di influenzare questa modalità di decadimento del bosone di Higgs.
