Il bosone di Higgs e la seconda generazione di fermioni

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 S. Arcelli    31-08-2020

Event display di eventi candidati per il decadimento del bosone di Higgs in 2 muoni osservati dagli esperimenti CMS (a sinistra) e ATLAS (a destra).
Credits CERN.

Fra i tanti risultati presentati alla 40a edizione della Conferenza Internazionale di Fisica delle Alte Energie (ICHEP 2020) che in quest'anno particolare, come molti altri incontri ed eventi, si è tenuta in modalità virtuale, uno che certamente vale la pena menzionare è l'osservazione del decadimento dell’Higgs in coppie di fermioni appartenenti alla cosiddetta "seconda generazione".

Dalla sua scoperta, annunciata il 4 luglio 2012 dalle Collaborazioni ATLAS e CMS presso il Large Hadron Collider (LHC) del CERN, un grande sforzo sperimentale è stato fatto per studiare le proprietà dell'Higgs e comprendere come i suoi accoppiamenti con le altre particelle fondamentali, bosoni mediatori e fermioni, si confrontino con le previsioni del Modello Standard. Dal tasso di decadimento del bosone di Higgs in un determinato canale è infatti possibile inferire l’entità della sua interazione con il tipo di particella coinvolta, permettendo di verificare direttamente il meccanismo attraverso il quale le particelle acquisiscono una loro fondamentale proprietà, la massa.

Poiché nell'ambito del Modello Standard l'accoppiamento dell'Higgs con le particelle più pesanti è favorito, i risultati finora ottenuti hanno primariamente riguardato le interazioni del bosone di Higgs con i bosoni W e Z, e con fermioni di "terza generazione", i quark top e bottom e il leptone τ: risultati che non hanno finora evidenziato deviazioni rispetto alle previsioni.

Utilizzando l'intero campione di dati accumulati durante il Run2 di LHC, le Collaborazioni ATLAS e CMS sono andate a caccia del decadimento dell’Higgs in una coppia di muoni, H → μ+μ. Un’impresa non semplice: per confronto, la massa del muone è di tre ordini di grandezza più piccola di quella del quark top, e il processo è quindi un fenomeno raro che coinvolge, all'incirca, solo a un bosone di Higgs su 5000. A rendere ancora più ambiziosa questa sfida sperimentale, occorre considerare che, nelle condizioni sperimentali di LHC, per ogni decadimento del bosone di Higgs in due muoni sono previste circa mille coppie di muoni di "fondo" da altri processi (come per esempio la produzione di bosoni Z) che complicano ulteriormente l'identificazione del segnale cercato.

Analizzando in dettaglio le proprietà cinematiche dei muoni candidati e utilizzando anche sofisticate strategie di descrizione del fondo da altri processi e tecniche avanzate basate su algoritmi di Machine Learning e Deep Learning, i due esperimenti presso il Large Hadron Collider hanno per la prima volta prodotto l'evidenza del verificarsi di questo decadimento (con un livello di confidenza statistico di 3σ nel caso di CMS, e di 2σ per ATLAS), con risultati consistenti con le previsioni del Modello Standard.

Con i dati raccolti nel prossimo periodo di presa dati di LHC (Run3) e successivamente con l'High-Luminosity LHC, le collaborazioni ATLAS e CMS prevedono di raggiungere la sensibilità necessaria per raggiungere il traguardo di 5σ necessario per stabilire la scoperta del decadimento del bosone di Higgs in due muoni, e vincolare possibili effetti di nuova fisica oltre il Modello Standard che si prevede possa influenzarne le caratteristiche.

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