CMS chiude un capitolo importante sulle misure del bosone di Higgs

I dati confermano che la particella scoperta al CERN si comporta come previsto dal Modello Standard

Dall’annuncio della scoperta del bosone di Higgs nel 2012, esattamente il 4 luglio di due anni fa, i fisici che lavorano nelle collaborazioni di CMS e ATLAS hanno concentrato i loro sforzi per misurare le proprietà di questa nuova particella. Il bosone di Higgs nel Modello Standard è la particella associata al campo che pervade tutto lo spazio e che si ritiene attribuisca la massa alle particelle fondamentali attraverso il meccanismo di Brout-Englert-Higgs. Attesa per decenni, l’osservazione nel 2012 è stata una pietra miliare storica LHC, riconosciuta con l’assegnazione del Premio Nobel per la Fisica nel 2013 a Peter Higgs e François Englert. La domanda ancora aperta dal momento della scoperta è se questa nuova particella sia quella prevista dal Modello Standard oppure un’altra particella diversa, forse solo uno dei vari tipi di bosoni di Higgs che attendono di essere scoperti. Dal momento della scoperta, i fisici a LHC hanno concentrato I loro sforzi per rispondere a questa domanda. Questa settimana, alla 37^th International Conference on High Energy Physics, la più grande conferenza biennale di fisica delle particelle che nel 2014 si tiene a Valencia in Spagna, la Collaborazione CMS presenta un ampio repertorio di risultati sui nuovi studi relative al bosone di Higgs. I nuovi risultati sono relative al campione completo di dati del Run 1 da collisioni pp a energie nel centro di massa di 7 e 8 TeV. L’analisi include le costanti di calibrazione e allineamento finali relative a circa 25 fb^-1 di dati.

Decadimento in due fotoni

Il bosone di Higgs è una particella effimera. Decade in una coppia di particelle più leggere quasi immediatamente dopo essere stata prodotta a LHC. Uno di questi “canali di decadimento” è quello in cui il bosone di Higgs si trasforma in due fotoni. Il più recente risultato di CMS in questo canale di decadimento mostra un picco nei dati con una significatività di 5σ: la probabilità che in assenza di una nuova particella una fluttuazione casuale possa dare un picco con questa significatività al valore di massa misurato è meno di uno su 3.000.000. La figura 1 mostra il chiaro segnale del bosone di Higgs sul fondo nei dati. CMS ha anche misurato la massa del bosone di Higgs con una precisione di poche parti per mille con un’incertezza sistematica della misura quattro volte più piccola rispetto al precedente valore preliminare. La precisione della nuova misura di massa –poche parti su mille– è una dimostrazione del disegno brillante e della costruzione meticolosa del rivelatore di CMS, dell’efficiente operazione e calibrazione durante il Run 1 di LHC e dell’impegno instancabile dei gruppi di analisi nel comprendere tutti gli aspetti delle prestazioni del rivelatore.

Figura 1 – Spettro della massa combinata dei due fotoni che illustra la significatività dell’eccesso osservato, in cui gli eventi sono pesati per il rapporto segnale-fondo. La corrispondente distribuzione in cui il fondo è sottratto è mostrata nella parte inferiore della figura.

Combinazione dei canali di decadimento, modi di produzione

L’analisi dei due fotoni completa le misure del Run 1 con la calibrazione e l’allineamento finale comprende i cinque modi di decadimento principali del bosone di Higgs [2,3,4,5]. Questo risultato permette una combinazione preliminare di tutti i canali di decadimento finora osservati[6] per estrarre la massima informazione possibile sulle proprietà del nuovo bosone, compresi i suoi accoppiamenti alle particelle fondamentali. La miglior stima combinata del rapporto del segnale osservato rispetto a quello atteso nel Modello Standard risulta essere 1.00 ± 0.13, in perfetto accordo con i calcoli più accurati di Modello Standard. Inoltre, quando i dati vengono separati in base alle diverse proprietà di produzione e decadimento del bosone di Higgs, non si misura alcuna deviazione significativa dal valore atteso nel Modello Standard (Fig. 2). Oltre ai risultati sugli accoppiamenti, la combinazione preliminare comprende una misura combinata della massa del bosone di Higgs dei canali in due fotoni e ZZ→4ℓ: m_H = 125.03 ± 0.30 GeV. Nel loro insieme, I risultati rappresentano un impressionante tour de force, il culmine di quattro anni di lavoro incessante che è cominciato con le prime ricerche del bosone di Higgs in CMS nel 2010.

"Siamo orgogliosi di essere stati tra i protagonisti di questa impresa scientifica. A 50 anni dalla predizione teorica è un risultato eccezionale! La comunità italiana ha contribuito in prima fila alla costruzione dell’esperimento, all’analisi dei dati e ai calcoli teorici che hanno portato a questa grande scoperta.”

Figura 2 – Compatibilità degli accoppiamenti del bosone di Higgs ai bosoni vettori (V) e ai fermioni (f) rispetto al valore atteso nel Modello Standard (rombo rosso). Le regioni permesse da ciascun gruppo di modi di decadimento analizzate (colorate) si combinano in una regione ridotta (grigia) che è perfettamente compatibile con il Modello Standard.

Infine, è stata verificata la struttura di spin del bosone di Higgs con una precisione senza precedenti in un nuovo insieme di risultati di CMS sull’accoppiamento anomalo ai bosoni vettori. Se la nuova particella fosse realmente il bosone di Higgs dovrebbe essere uno scalare, ossia una particella con spin zero e parità positiva. Le analisi comprendono ricerche indipendenti dei canali di decadimento WW→2ℓ2ν [7] e ZZ→4ℓ [8] per verificare diverse ipotesi di spin-parità rispetto alla natura scalare attesa per il bosone di Higgs del Modello Standard. Per la prima volta si è cercato di capire se questa particella possa essere una mescolanza di stati con parità diversa. Combinati i risultati, tutte le ipotesi alternative studiate sono fortemente sfavorite rispetto all’ipotesi del Modello Standard.

Insieme alla recente pubblicazione di CMS sulla prestigiosa rivista Nature Physics che dimostra la forte evidenza del decadimento del bosone di Higgs in fermioni [9], i nuovi risultati presentati a Valencia forniscono un ulteriore conferma che questa particella ha le caratteristiche previste dal Modello Standard. Raccogliendo tutti i risultati del Run 1, l’esperimento CMS è ora concentrato sulla preparazione del Run 2 in cui l’energia nel centro di massa di LHC verrà portata a 13 TeV e la luminosità sarà aumentata. Con un acceleratore più potente e un rivelatore di CMS migliorato, la collaborazione si aspetta nuovi ed entusiasmanti risultati sul bosone di Higgs nel Run 2.

Bibliografia

[1] The CMS Collaboration, “Observation of the diphoton decay of the Higgs boson and measurement of its properties”, arXiv:1407.0558, submitted to Eur. Phys. J. C.

[2] CMS Collaboration, “Search for the standard model Higgs boson produced in association with a W or a Z boson and decaying to bottom quarks”, Phys. Rev. D 89 (2014) 012003, doi:10.1103/PhysRevD.89.012003.

[3] CMS Collaboration, “Measurement of Higgs boson production and properties in the WW decay channel with leptonic final states”, JHEP 01 (2014) 096, doi:10.1007/JHEP01(2014)096.

[4] CMS Collaboration, “Measurement of the properties of a Higgs boson in the four-lepton final state”, Phys. Rev. D 89 (2014) 092007, doi:10.1103/PhysRevD.89.092007.

[5] CMS Collaboration, “Evidence for the 125 GeV Higgs boson decaying to a pair of τ leptons”, JHEP 05 (2014) 104, doi:10.1007/JHEP05(2014)104.

[6] The CMS Collaboration, “Precise determination of the mass of the Higgs boson and studies of the compatibility of its couplings with the standard model”, Physics Analysis Summary, CMS-PAS-HIG-14-009, http://cds.cern.ch/record/1728249?ln=en

[7] The CMS Collaboration, “Constraints on Anomalous HWW Interactions using Higgs boson decays to W+W- in the fully leptonic final state”, Physics Analysis Summary, CMS-PAS-HIG-14-012, http://cds.cern.ch/record/1728250?ln=en

[8] The CMS Collaboration, “Constraints on anomalous HVV interactions using H to 4l decays”, Physics Analysis Summary, CMS-PAS-HIG-14-014, http://cds.cern.ch/record/1728251?ln=en

[9] The CMS Collaboration, “Evidence for the direct decay of the 125 GeV Higgs boson to fermions”, Nature Physics advance online publication (2014), doi:10.1038/nphys3005.