Eventi di collisione registrati da ATLAS (a sinistra) e CMS (a destra), utilizzati nella ricerca di rare trasformazioni del bosone di Higgs. Credit: CERN

Introduzione

Le collaborazioni ATLAS e CMS hanno presentato i loro ultimi risultati su nuove firme per rilevare il bosone di Higgs presso il Large Hadron Collider del CERN. Questi includono la ricerca di rare trasformazioni del bosone di Higgs in un bosone Z – che è portatore di una delle forze fondamentali della natura – e una seconda particella. Osservare e studiare le trasformazioni che si prevede siano rare, aiuta a far progredire la nostra comprensione della fisica delle particelle e potrebbe anche indicare la strada per la nuova fisica se le osservazioni differiscono dalle previsioni. I risultati includevano anche ricerche di segni di trasformazioni di Higgs in particelle “invisibili“, che potevano far luce su potenziali particelle di materia oscura. Le analisi hanno coinvolto circa 140 femtobarn inversi di dati, o circa 10 milioni di miliardi di collisioni protone-protone, registrate tra il 2015 e il 2018.

Rilevare processi rari

I rivelatori ATLAS e CMS non possono mai vedere direttamente un bosone di Higgs: una particella effimera, che trasforma (o “decade”) in particelle più leggere quasi immediatamente dopo essere stata prodotta in collisioni protone-protone e le particelle più leggere lasciano firme rivelatrici nei rivelatori. Tuttavia, firme simili possono essere prodotte da altri processi del modello standard. Gli scienziati devono quindi prima identificare i singoli pezzi che corrispondono a questa firma e quindi costruire prove statistiche sufficienti per confermare che le collisioni avevano effettivamente prodotto bosoni di Higgs.

Quando è stato scoperto nel 2012, il bosone di Higgs è stato osservato principalmente nelle trasformazioni in coppie di bosoni Z e coppie di fotoni. Questi cosiddetti “canali di decadimento” hanno firme relativamente pulite che li rendono più facilmente rilevabili e sono stati osservati presso l’LHC. Si prevede che altre trasformazioni avvengano solo molto raramente o abbiano una firma meno chiara e sono quindi difficili da individuare.

Più vicino alla previsione del modello standard

All’LHCP, ATLAS ha presentato gli ultimi risultati delle sue ricerche per uno di questi rari processi, in cui un bosone di Higgs si trasforma in un bosone Z e in un fotone (γ). La Z così prodotta, essendo essa stessa instabile, si trasforma in coppie di leptoni, elettroni o muoni, lasciando nel rivelatore una firma di due leptoni e un fotone. Data la bassa probabilità di osservare una trasformazione di Higgs in Zγ con il volume di dati analizzato, ATLAS è stato in grado di escludere la possibilità che oltre lo 0,55% dei bosoni di Higgs prodotti nell’LHC si trasformasse in Zγ. 

Con questa analisi“, afferma Karl Jakobs, portavoce della collaborazione ATLAS, “possiamo dimostrare che la nostra sensibilità sperimentale per questa firma è ormai arrivata vicino alla previsione del modello standard“. Il miglior valore estratto per la potenza del segnale H → Zγ, definito come il rapporto tra la resa del segnale osservata rispetto al modello standard previsto, è risultato essere 2,0 +1,0 −0,9 .

Oltre il Modello standard

CMS ha presentato i risultati della prima ricerca di trasformazioni di Higgs che coinvolgono anche un bosone Z ma accompagnato da un mesone ρ (rho) o φ (phi). Il bosone Z si trasforma nuovamente in coppie di leptoni, mentre la seconda particella si trasforma in coppie di pioni (ππ) nel caso ρ e in coppie di kaoni (KK) nel caso di φ. “Queste trasformazioni sono estremamente rare“, afferma Roberto Carlin, portavoce della collaborazione CMS, “e non si prevede che vengano osservate presso l’LHC a meno che non sia coinvolta la fisica al di là del Modello standard“. 

I dati analizzati hanno permesso al CMS di escludere che oltre l’1,9% circa dei bosoni di Higgs potrebbe trasformarsi in Zρ e oltre lo 0,6% potrebbe trasformarsi in Zφ. Sebbene questi limiti siano molto maggiori delle previsioni del Modello standard, dimostrano la capacità dei rivelatori di farsi strada nella ricerca della fisica oltre il Modello standard.

Il “settore oscuro”

Il cosiddetto “settore oscuro” include particelle ipotetiche che potrebbero costituire la materia oscura, l’elemento misterioso che rappresenta oltre cinque volte la massa della materia ordinaria nell’universo. Gli scienziati ritengono che il bosone di Higgs potrebbe contenere indizi sulla natura delle particelle di materia oscura, poiché alcune estensioni del modello standard suggeriscono che un bosone di Higgs potrebbe trasformarsi in particelle di materia oscura. 

Queste particelle non interagirebbero con i rivelatori ATLAS e CMS, nel senso che rimangono “invisibili” per loro. Ciò consentirebbe loro di sfuggire al rilevamento diretto e manifestarsi come “energia mancante” nell’evento di collisione. All’LHCP, ATLAS ha presentato il suo ultimo limite superiore – del 13% – sulla probabilità che un bosone di Higgs possa trasformarsi in particelle invisibili conosciute come particelle voluminose che interagiscono debolmente, o WIMP, mentre il CMS ha presentato i risultati di una nuova ricerca nelle trasformazioni di Higgs in quattro leptoni tramite almeno un “fotone oscuro” intermedio, presentando anche limiti sulla probabilità che tale trasformazione si verifichi nell’LHC.

Il bosone di Higgs continua a rivelarsi prezioso per aiutare gli scienziati a testare il Modello Standard della fisica delle particelle e cercare una fisica che potrebbe andare oltre. Questi sono solo alcuni dei numerosi risultati riguardanti il ​​bosone di Higgs presentati all’LHCP. 

Puoi leggere di più su di loro sui siti web ATLAS e CMS .

Nota tecnica

Quando i volumi di dati non sono abbastanza alti da richiedere un’osservazione definita di un particolare processo, i fisici possono prevedere i limiti che si aspettano di collocare nel processo. Nel caso delle trasformazioni di Higgs, questi limiti si basano sul prodotto di due termini: la velocità con cui un bosone di Higgs viene prodotto in collisioni protone-protone (sezione di produzione) e la velocità con cui subirà una particolare trasformazione in particelle più leggere (frazione ramificata).

ATLAS prevedeva di porre un limite superiore di 1,7 volte l’aspettativa del Modello Standard per il processo che implicava trasformazioni di Higgs in un bosone Z e un fotone (H → Zγ) se tale trasformazione non fosse presente; la collaborazione è stata in grado di porre un limite superiore di 3,6 volte questo valore, avvicinando la sensibilità alle previsioni del Modello Standard. Le ricerche del CMS prevedevano un processo molto più raro, previsto dal Modello Standard, che si verificava solo una volta ogni milione di trasformazioni di Higgs e la collaborazione è stata in grado di impostare limiti superiori di circa 1000 volte le aspettative del Modello Standard per processi H → Zρ e H → Zφ.

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