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Nel 2012, le collaborazioni ATLAS e CMS, al CERN di Ginevra, hanno annunciato la scoperta di una risonanza di massa 125 GeV. Da quell’anno, la maggior parte degli sforzi sono stati impiegati nello studio di questa nuova particella: oggi sappiamo che si tratta effettivamente del bosone di Higgs del Modello Standard, ipotizzato da Higgs, Englert e Brout nel 1964 una volta confermate molte caratteristiche fondamentali di questa particella (quale, per esempio, lo spin etc.).

Di particolare importanza tra tutti i meccanismi di produzione del bosone di Higgs a LHC (Large Hadron Collider) è il canale ttH, in cui il bosone di Higgs (H) viene prodotto in associazione ad una coppia di quark Top (tt). La sezione d’urto di questo processo (ovvero la probabilità che questo accada) è molto più bassa (σ(ttH) ∼ 500 fb, a 13 TeV) confrontata con gli altri meccanismi sia di produzione di Higgs che degli eventi di fondo. Per esempio nei dati raccolti dal 2015 al 2017 (Run-2), ci aspettiamo che siano stati prodotti qualcosa come circa 40.000 eventi di ttH, mentre sommando tutti i meccanismi di produzione del bosone di Higgs il numero di eventi prodotti è circa 100 volte tanto. Invece, vengono prodotti oltre 10 eventi al secondo di coppie top-antitop che rappresenta uno dei processi di fondo più insidiosi.

Fig.1: Andamento della sezione d’urto dei diversi processi di produzione del bosone di Higgs, in funzione dell’energia di collisione protone-protone a LHC.

Nonostante la rarità, il processo ttH merita una particolare attenzione per diverse ragioni.
Prima di tutto, la sezione d’urto ttH cresce molto più velocemente rispetto a quella degli altri canali di produzione, in funzione dell’energia nel centro di massa delle collisioni protone-protone. Questo permette di ottenere un campione di eventi più importante rispetto alla precedente presa dati a 8 TeV, e infatti i dati raccolti nel Run-2 a 13 TeV ha reso possibile l’importante risultato.
Un altro aspetto importante è la possibilità di una misura diretta dell’accoppiamento di Yukawa tra le due particelle elementari più pesanti note finora: il bosone di Higgs e il quark Top. A causa della massa del quark Top molto grande (173 GeV) questo accoppiamento è ipotizzato essere il più elevato tra quelli di tutte le altre particelle del Modello Standard. La misura della sezione d’urto di produzione ttH è inoltre
cruciale per una determinazione più precisa delle caratteristiche intrinseche del bosone di Higgs.

Dopo diversi anni di ricerca, l’esperimento ATLAS ha osservato per la prima volta ad LHC il processo ttH. L’osservazione è stata possibile con una luminosità integrata pari a circa a 80 fb-1 (79.8 fb-1 per la precisione), raccolta dall’esperimento negli anni 2015-2017, e considerando i seguenti canali di decadimento del bosone di Higgs: una coppia di quark b, una coppia di bosoni vettori (WW* e ZZ*), una coppia di leptoni tau e una coppia di fotoni. Inoltre, la misura a 13 TeV è stata combinata con quella fatta nel Run-1, ovvero nel periodo di presa dati dal 2010 al 2012, con una luminosità integrata di 4.5 fb-1 a 7 TeV e 20.3 fb-1 a 8 TeV. La significatività osservata (aspettata) è di 6.3 (5.1) deviazioni standard e la sezione d’urto misurata è 1.32 volte quella prevista dalla teoria del Modello Standard, come mostrato in Fig.2.

Fig.2: Numero di eventi osservati in tutti i canali studiati con luminosità integrata fino a 79.8 fb-1 a 13 TeV. I bin sono classificati con la funzione log10(S/B), dove S è il segnale e B è il fondo estratto dalla procedura di fit.

In Fig.3 si può vedere il confronto tra la sezione d’urto misurata e quella predetta dal Modello Standard, in funzione dell’energia di LHC.

Fig.3: Valori della sezione d’urto del processo ttH misurati (i punti in nero) e predetti dalla teoria del Modello Standard (la banda in viola).

La precisione raggiunta sulla misura è del 20%, rendendola compatibile con la teoria ma lascia spazio a un significativo contributo di processi nuovi, che potranno essere portati alla luce (o esclusi) con misure più precise in futuro.

Per tutti i canali di decadimento del bosone di Higgs, si considera sia il decadimento “semileptonico” (un Top decade in quark e l’altro in leptoni) che “adronico” della coppia di quark Top (entrambi i Top decadono in quark). Data la differenza negli stati finali, sia del bosone di Higgs che delle coppie top-antitop, le analisi considerate sono molto diverse tra loro, avendo segnature sperimentali molto specifiche. Tutte, però, utilizzano una categorizzazione degli eventi in diverse regioni, che possono essere di segnale (se il numero di eventi di segnale è dominante su quelli di fondo) o di controllo (se il numero di eventi di fondo è predominante). Inoltre, la produzione ttH copre circa l’1% della produzione totale inclusiva del bosone di Higgs; a questo punto, anche la produzione del bosone di Higgs con processi diversi dal ttH contribuisce ai processi di fondo.

Questo porta tutte le analisi a utilizzare delle tecniche di analisi multivariata (MVA) per migliorare la separazione tra segnale e fondo. Al termine di questa, una complessa procedura di fit viene utilizzata per estrarre il segnale da ogni canale di decadimento. Ognuno di essi, quindi, dà come risultato una stima della signal strength, ovvero del rapporto tra la sezione d’urto misurata e quella predetta dal Modello Standard, come mostrato in Fig.4.

Fig.4: Valori misurati della signal strength per tutti i diversi canali di decadimento considerati nell’analisi. Gli errori statistico e sistematico sono riportati singolarmente e in combinazione, per ogni misura. La predizione del Modello Standard è riportata in rosso, con la sua incertezza associata (in grigio).

L’osservazione di questo processo segna un passo storico per la fisica delle alte energie, con un contributo fondamentale dei gruppi italiani di ATLAS (in particolare Bologna, Roma “La Sapienza”, Roma “Tor Vergata”, Roma Tre, Udine e Milano). Una precisione sempre maggiore ci potrà aiutare a capire sempre di più il Modello Standard e a sondare con maggior sicurezza regioni dello spazio delle fasi dove potrebbe nascondersi una fisica del tutto nuova e lontana da quello che per noi è “standard”.

Referenze: “Observation of Higgs boson production in association with a top quark pair at the LHC with the ATLAS detector”, The ATLAS Collaboration, https://arxiv.org/abs/1806.00425

Higgs, osservazione, top, ttH

By Silvia Bondi

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