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Higgs di Spade

15 Aug , 2017  

A volte bisogna rompere l’eleganza di una simmetria perfetta per sottolineare qualcosa di speciale. Il meccanismo di Brout-Englert-Higgs é il caso principe in fisica delle alte energie, e la scoperta del bosone di Higgs da parte delle collaborazioni ATLAS e CMS, grazie alle collisioni tra protoni del Large Hadron Collider al CERN di Ginevra, é stata una pietra miliare per l’intera comunità scientifica.
A cinque anni dalla scoperta del bosone di Higgs, ATLAS ha riportato  l’evidenza del decadimento del bosone di Higgs in b-quarks. Questo risultato é stato mostrato cinque settimane fa durante la conferenza internazionale di fisica delle alte energie EPS-HEP, che ha avuto luogo a Venezia dal 5 al 12 Luglio.
Il bosone di Higgs é stato osservato in passato in canali di decadimenti come WW, ZZ, ττ, e γγ che in totale rappresentano solo il 31% circa dei possibili decadimenti del bosone di Higgs. L’importanza di questo nuovo risultato sta nel fatto che il canale di decadimento H → bb é il più probabile previsto per il bosone di Higgs nel modello standard (MS), pari a circa il 58%. Nonostante l’alta probabilità di decadere in b-quarks del bosone di Higgs, la ricerca di questo canale di decadimento é sempre stata una grande sfida per gli esperimenti in collisionatori adronici a causa dell’enorme rumore di fondo che rende difficile isolare gli eventi di segnale.
Il principale modo per migliorare il rapporto segnale/fondo é di cercare il bosone di Higgs prodotto in associazione con un bosone vettore V (W o Z) che decade in leptoni (Z→νν, W→lν, Z→ll). Eventi con 2 b-jets e leptoni carichi e/o impulso traverso mancante (per i neutrini), come quello mostrato in Figura 1, sono quindi usati per questa analisi.
Evento registrato da ATLAS, con 2 b-jets, 1 elettrone, e impulso trasverso mancante, selezionato dall'analisi per la ricerca dei decadimenti dei bosone di Higgs in b-quarks (Run 303499, Event 2810362531). [https://atlas.web.cern.ch/Atlas/GROUPS/PHYSICS/PAPERS/HIGG-2016-29/]

Figura 1: Evento registrato da ATLAS, con 2 b-jets (tracce arancioni collimate, verde acqua e giallo), 1 elettrone (in rossoe verde acqua), e impulso trasverso mancante (in punteggiato), selezionato dall’analisi per la ricerca del decadimento del bosone di Higgs in b-quarks (Run 303499, Event 2810362531).
[Pagina ATLAS: HIGG-2016-29]

La grande sfida é quella di ridurre  e stimare correttamente un fondo che é qualche centinaia di volte superiore al segnale. Un team internazionale di ricercatori di ATLAS, con una significativa componente italiana, ha lavorato negli ultimi anni per poter tenere sotto controllo questo fondo, e per poter ottenere una misura sensibile alla presenza del bosone di Higgs che decade in b-quarks.
In combinazione con i dati del Run1, ATLAS osserva un segnale di tipo VH,H → bb (Figura 2) con una significatività di 3.6 deviazioni standard, che costituisce la prima evidenza al Large Hadron Collider per questo tipo di decadimenti del boson di Higgs in b-quarks.

Figura 2: Distribuzione di della massa invariante dei due b-jet misurata da ATLAS dopo la sottrazione dei fondi, fatta eccezione dei processi di WZ e ZZ in grigio. In rosso viene mostrata la previsione del MS, riscalata di un fattore 1.3.[arXiv: 1708.03299, Pagina ATLAS: HIGG-2016-29]

La sezione d’urto misurata é in buon accordo con il MS, con un rapporto pari a 0.90+0.28-0.26 come mostrato in Figura 3, e conferma con la stessa significatività l’evidenza di produzione del bosone di Higgs in associazione di un bosone vettore (VH), fornita dalla combinazione di tutte le misure di ATLAS e CMS effettuate nel Run1. Il risultato é rafforzato dall’osservazione con più di 5σ della produzione VZ, con decadimento della Z in b-quarks. Questi risultati sono inoltre confermati dall’analisi preliminare mostrata questa settimana da CMS durante la conferenza internazionale di fisica delle alte energie Lepton-Photon, che ha avuto luogo a Guangzhou (Cina) dal 7 al 12 Agosto.

Figura 3: Valore del rapporto tra gli eventi misurati e quelli previsti dal MS (μ) per i modi di produzione pp→WH, pp→ZH e la loro combinazione. Queste misure utilizzano gli eventi misurati dall’esperimento ATLAS in collisioni con energia nel centro di massa pari a 7 TeV, 8 TeV e 13 TeV. [arXiv: 1708.03299, Pagina ATLAS: HIGG-2016-29]

Anche se una indicazione indiretta di accoppiamenti con quarks può essere estratta dagli accoppiamenti effettivi del bosone di Higgs con gluoni e fotoni (nella produzione con la fusione di gluoni e nel decadimento in coppie fotoni), finora una osservazione diretta di accoppiamenti del bosone di Higgs con i quarks non era mai stata raggiunta . Per questo motivo,  l’evidenza mostrata da ATLAS é particolarmente importante, e apre le strada per il futuro.
Considerando poi che modelli di nuova fisica prevedono deviazioni importanti rispetto al MS negli accoppiamenti del bosone di Higgs con leptoni e quarks,  le misure dei decadimenti del bosone di Higgs in b-quarks sono molto importanti. Assumendo che l’intensità della sezione d’urto di produzione sia coerente con il MS ( ipotesi verosimile, visto che per ora non ci sono evidenze di deviazioni significative tra gli accoppiamenti del bosone di Higgs con i bosoni vettori),  una compatibilità tra il  numero di eventi misurati e il numero di eventi previsti, indica che il coupling di Yukawa dei b-quarks é consistente (entro la precisione raggiunta) con il MS.
Come tutte le migliori saghe, anche a distanza di cinque anni,  quella che vede come protagonista il bosone di Higgs diventa ogni giorno più avvincente!

Buon compleanno Bosone di Higgs!

Tutti i dettagli dell’analisi sono disponibili da qualche giorno nel pre-print inviato al Journal of High Energy Physics e reso pubblico dalla collaborazione ATLAS in arXiv: 1708.03299
Materiale aggiuntivo é disponibile nella pagina ATLAS: HIGG-2016-29

Buona lettura

 

Paolo Francavilla By



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