Decadimento del bosone di Higgs in coppie di quark charm

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Nuovi risultati per il bosone di Higgs. Presentati i dati degli esperimenti ATLAS e CMS del CERN di Ginevra che approfondiscono la conoscenza del comportamento della particella elementare scoperta nel 2012.

A sette anni dall’annuncio della sua scoperta, continuano le ricerche per descrivere nei minimi particolari il comportamento del bosone di Higgs. Le collaborazioni ATLAS e CMS del CERN di Ginevra, che hanno ottenuto l’epocale rilevazione nel 2012 grazie a scontri tra protoni avvenuti nel Large Hadron Collider (LHC), stanno mettendo ordine nei dieci milioni di miliardi di collisioni osservate nel corso di Run 2, cioè nella seconda fase di presa dati di LHC, svoltasi tra il 2015 e il 2018.

I risultati, presentati all’High-Energy Physics Conference dell’European Physical Society’s (EPS-HEP) in corso a Ghent, in Belgio, forniscono importanti indicazioni per proseguire nella ricerca con Run 3, la terza sessione di raccolta dati prevista per il 2021-2023, e nella futura era dell’LHC “ad alta luminosità”, dal 2026 in poi. Le misurazioni di ATLAS e CMS finora indicano che i tassi di produzione e di decadimento osservati sono compatibili, entro l’attuale incertezza statistica, con quelli previsti dal modello standard, la teoria più accreditata per descrivere il comportamento delle particelle elementari.

Illustrazione delle tracce generatesi all'interno di ATLAS dopo le collisioni tra protoni (ATLAS Collaboration/CERN) 
Illustrazione delle tracce generatesi all’interno di ATLAS dopo le collisioni tra protoni (ATLAS Collaboration/CERN)

La scoperta del bosone di Higgs è stata allo stesso tempo un punto di arrivo e un punto di partenza verso una nuova fisica. Questa particella elementare, prevista dal fisico britannico Peter Higgs negli anni sessanta, è cruciale per l’impianto del modello standard, poiché conferisce una massa alle particelle con cui interagisce. Gli esperimenti non possono osservare direttamente il bosone di Higgs, che è molto instabile e decade in un tempo infinitesimale (10 alla -22 secondi) producendo altre particelle: è solo studiando i prodotti di decadimento delle collisioni che si può risalire alle sue caratteristiche.

I nuovi risultati hanno esaminato due dei decadimenti che hanno portato alla scoperta del 2012. Il primo è il decadimento in due bosoni Z, i mediatori dell’interazione debole (una delle quattro forze fondamentali della natura, coinvolta in fenomeni di decadimento radioattivo), che a loro volta producono quattro leptoni (elettroni o muoni). Il secondo è il decadimento diretto in due fotoni. Anche se rari, questi due “canali” di decadimento sono ora facilmente identificati dal rivelatore ATLAS, e permettono così di studiare le proprietà dell’Higgs con grande precisione.

Una misurazione particolarmente raffinata di ATLAS riguarda un altro decadimento dell’Higgs in una coppia di muoni che, insieme ai quark charm e strange, formano i cosiddetti fermioni di seconda generazione.

“Questo risultato mostra che ora siamo vicini alla sensibilità richiesta per testare le previsioni del modello standard anche per questo raro decadimento del bosone di Higgs”, ha spiegato Karl Jakobs, portavoce di ATLAS. “Tuttavia, un giudizio definitivo sulla seconda generazione richiederà una base di dati ancora più ampia, che verrà fornita da LHC con Run 3 e con LHC ad alta luminosità”.

CMS ha invece presentato i primi risultati della ricerca del decadimento dell’Higgs in coppie di quark charm, un processo in cui vengono immediatamente prodotti i cosiddetti getti, in cui le particelle si presentano a sciami.

“Identificare i getti formati dai quark charm e isolarli da altri tipi di getti e una grande sfida”, ha sottolineato Roberto Carlin, portavoce di CMS. “Siamo molto contenti di aver mostrato che possiamo affrontare questo difficile canale di decadimento: abbiamo sviluppato nuove tecniche di apprendimento automatico a questo scopo”.

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