Ginevra. Alla 40a conferenza ICHep, gli esperimenti ATLAS e CMS hanno annunciato nuovi risultati che mostrano che 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 circa un bosone di Higgs su 5000 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 particelle elementari di seconda generazione.
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 da collisioni di protoni al Large Hadron Collider, si disintegra – 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 il tasso 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 una 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 per 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 perfezionato con i dati che ci aspettiamo di raccogliere nella prossima corsa”, ha dichiarato Roberto Carlin, portavoce dell’esperimento CMS.
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 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, l’alto e il basso, 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. Le interazioni tra il bosone di Higgs e i muoni non erano state quindi osservate in precedenza all’LHC.
“Questa evidenza del bosone di Higgs decade in particelle di materia di seconda generazione integra un programma di fisica di Higgs Run 2 di grande successo. Le misurazioni delle proprietà del bosone di Higgs hanno raggiunto un nuovo stadio di precisione e le rare modalità di decadimento possono essere affrontate. Questi risultati si basano sull’ampio set di dati LHC, sull’efficienza e sulle prestazioni eccezionali del rivelatore ATLAS e sull’uso di nuove tecniche di analisi”, ha dichiarato Karl Jakobs, portavoce di ATLAS.
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 caratteristica firma 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 il bosone di Higgs in interazioni muone-coppia non è un’impresa facile. Per fare ciò, entrambi gli esperimenti misurano l’energia, la quantità di moto e gli angoli dei candidati al muone dal decadimento del bosone di Higgs. Inoltre, la sensibilità delle analisi è stata migliorata attraverso metodi come sofisticate strategie di modellazione del background e altre tecniche avanzate come gli 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 diviso i loro eventi in 20 categorie che hanno preso di mira specifiche modalità di produzione del bosone di Higgs.
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 corsa dell’acceleratore di particelle e con l’LHC ad alta luminosità, le collaborazioni ATLAS e CMS si aspettano di raggiungere la sensibilità (5 sigma) necessaria per stabilire la scoperta del decadimento del bosone di Higgs a due muoni e vincolare possibili teorie della fisica oltre il modello standard che influenzerebbe questa modalità di decadimento del bosone di Higgs.
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Materiali scientifici
Articoli:
CMS analisi fisica sommario: https://cds.cern.ch/record/2725423
ATLAS paper su arXiv: https://arxiv.org/abs/2007.07830
Briefing di fisica:
CMS: https://cmsexperiment.web.cern.ch/news/cms-sees-evidence-higgs-boson-decaying-muons
ATLAS: https://atlas.cern/updates/physics-briefing/new-search-rare-higgs-decays-muons
Event displays and plots:
CMS: https://cds.cern.ch/record/2720665?ln=en
http://cds.cern.ch/record/2725728
ATLAS: https://cds.cern.ch/record/2725717?ln=en
https://atlas.web.cern.ch/Atlas/GROUPS/PHYSICS/PAPERS/HIGG-2019-14
Photos
CMS detector:
https://cds.cern.ch/record/1344500/files/0712017_02.jpg?subformat=icon-1440
https://cds.cern.ch/record/1431473/files/bul-pho-2007-079.jpg?subformat=icon-1440
ATLAS detector: https://mediastream.cern.ch/MediaArchive/Photo/Public/2007/0706038/0706038_02/0706038_02-A4-at-144-dpi.jpg
https://mediastream.cern.ch/MediaArchive/Photo/Public/2007/0705021/0705021_01/0705021_01-A4-at-144-dpi.jpg
CMS muon system:
https://cds.cern.ch/record/2016944/files/IMG_0267.jpg?subformat=icon-1440
https://cds.cern.ch/record/1431505/files/DSC_1432.jpg?subformat=icon-1440
ATLAS muon spectrometer:
https://mediastream.cern.ch/MediaArchive/Photo/Public/2006/0610010/0610010_02/0610010_02-A4-at-144-dpi.jpg
https://mediastream.cern.ch/MediaArchive/Photo/Public/2007/0707043/0707043_01/0707043_01-A4-at-144-dpi.jpg
