Alla conferenza sulla fisica delle energie elevate della European Physical Society del 2019 che si è tenuta a Gand, in Belgio, le collaborazioni ATLAS e CMS hanno presentato una serie di nuovi risultati. Questi includono diverse analisi utilizzando l’intero set di dati della seconda corsa del Large Hadron Collider del CERN, registrato con una energia di collisione di 13 TeV tra il 2015 e il 2018. Tra i punti salienti vi sono le ultime misurazioni di precisione che riguardano il bosone di Higgs. In soli sette anni dalla sua scoperta, gli scienziati hanno studiato attentamente molte delle proprietà di questa particella unica, che sta diventando sempre più un potente strumento nella ricerca di nuova fisica.
I risultati includono nuove ricerche di trasformazioni del bosone di Higgs in coppie di muoni e in coppie di quark di incantesimo. Sia ATLAS che CMS hanno anche misurato le proprietà precedentemente inesplorate dei decadimenti del bosone di Higgs che coinvolgono i bosoni elettrodeboli e li hanno confrontati con le previsioni del modello standard della fisica delle particelle. ATLAS e CMS continueranno questi studi nel corso di LHC’s Run 3 e nell’era della LHC ad alta luminosità.
Il bosone di Higgs è la manifestazione quantistica del campo di Higgs onnipervadente, che dà massa alle particelle elementari con le quali interagisce, attraverso il meccanismo di Brout-Englert-Higgs. Gli scienziati ricercano tali interazioni tra il bosone di Higgs e le particelle elementari, studiando decadimenti specifici del bosone di Higgs o cercando casi in cui il bosone di Higgs è prodotto insieme ad altre particelle. Il bosone di Higgs decade quasi subito dopo essere stato prodotto nell’LHC ed è guardando attraverso i suoi prodotti di decadimento che gli scienziati possono sondare il suo comportamento.
Nella corsa 1 dell’LHC, sono stati osservati i decadimenti del bosone di Higgs che coinvolgono coppie di bosoni elettrodeboli. Ora, il set di dati Run 2 completo – circa 140 inversi di femtobarns, l’equivalente di oltre 10.000 trilioni di collisioni – fornisce un campione molto più ampio di bosoni di Higgs da studiare, consentendo di misurare le proprietà della particella con una precisione senza precedenti. ATLAS e CMS hanno misurato le cosiddette “sezioni trasversali” dei processi di decadimento bosonici, che esaminano non solo la velocità di produzione dei bosoni di Higgs, ma anche la distribuzione e l’orientamento dei prodotti di decadimento relativi ai fasci di protoni in collisione. Queste misurazioni forniscono informazioni sul meccanismo sottostante che produce i bosoni di Higgs. Entrambe le collaborazioni hanno determinato che i tassi osservati e le distribuzioni sono compatibili con quelli previsti dal Modello standard, al tasso attuale di incertezza statistica.
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Un evento registrato da ATLAS che mostra un candidato per un bosone di Higgs prodotto in associazione con due top quark. Il bosone di Higgs decade a quattro muoni. C’è un elettrone aggiuntivo e quattro getti particellari.
Poiché la forza dell’interazione del bosone di Higgs è proporzionale alla massa delle particelle elementari, essa interagisce più fortemente con la più pesante generazione di fermioni, la terza. In precedenza, ATLAS e CMS avevano osservato ciascuna di queste interazioni. Tuttavia, le interazioni con i fermioni più leggeri di seconda generazione – muoni, quark di fascino e quark strani – sono considerevolmente più rari. In EPS-HEP, entrambe le collaborazioni hanno segnalato le loro ricerche per le interazioni elusive di seconda generazione.
ATLAS ha presentato il suo primo risultato dalle ricerche di bosoni di Higgs che decadono a coppie di muoni con il set di dati Run 2 completo. Questa ricerca è complicata dal grande background di processi SM più tipici che producono coppie di muoni. “Questo risultato mostra che siamo ora vicini alla sensibilità richiesta per testare le previsioni del Modello standard per questo decadimento molto raro del bosone di Higgs”, afferma Karl Jakobs, il portavoce di ATLAS. “Tuttavia, una dichiarazione definitiva sulla seconda generazione richiederà i set di dati più grandi che saranno forniti da LHC in Esegui 3 e da LHC ad alta luminosità.”
CMS ha presentato il suo primo risultato sulle ricerche di decadimenti dei bosoni di Higgs sulle coppie di quark di incantesimo (H → cc). Quando un bosone di Higgs decade in quark, queste particelle elementari producono immediatamente getti di particelle. “Identificare i jet formati dai quark di fascino e isolarli da altri tipi di jet è una grande sfida”, afferma Roberto Carlin, portavoce di CMS. “Siamo molto felici di aver dimostrato di poter affrontare questo difficile canale di decadimento. Abbiamo sviluppato nuove tecniche di apprendimento automatico per aiutare con questo compito.”
Il bosone di Higgs funge anche da mediatore dei processi fisici in cui i bosoni elettrodebole si disperdono o si rimbalzano l’un l’altro. Gli studi di questi processi con statistiche molto alte servono come test potenti del Modello standard. ATLAS ha presentato la prima misurazione della dispersione di due bosoni Z. L’osservazione di questo scattering completa l’immagine per i bosoni W e Z poiché ATLAS ha già osservato il processo di scattering WZ e entrambe le collaborazioni del processo WW. Il CMS ha presentato la prima osservazione dello scattering del bosone elettrodebole che si traduce nella produzione di un bosone Z e di un fotone.
“Gli esperimenti stanno facendo grandi passi nel monumentale compito di comprendere il bosone di Higgs”, afferma Eckhard Elsen, direttore del settore Ricerca e Informatica del CERN. “Dopo aver osservato il suo accoppiamento con i fermioni di terza generazione, gli esperimenti hanno ora dimostrato che hanno gli strumenti a portata di mano per affrontare la seconda generazione ancora più impegnativa. Il programma di fisica di precisione di LHC è in pieno svolgimento.”
