Bóson de Higgs decai em dois múons

Na 40ª conferência do International Conference on High Energy Physics (ICHEP), os experimentos do ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS) e CMS (Compact Muon Solenoid) anunciaram novos resultados que mostram que o bóson de Higgs se decompõe em dois múons.

© CMS (decaimento do bóson de Higgs gerando dois múons) 

O múon é uma cópia mais pesada do elétron, com carga elétrica -1 e spin 1⁄2, uma das partículas elementares que constituem o conteúdo de matéria do Universo. Enquanto os elétrons são classificados como uma partícula de primeira geração, os múons pertencem à segunda geração. O processo físico do bóson de Higgs decaindo em múons é um fenômeno raro, pois apenas um bóson de Higgs em 5.000 decai em múons. Esses novos resultados têm extrema importância para a física fundamental, porque indicam pela primeira vez que o bóson de Higgs interage com partículas elementares de segunda geração.

Os físicos do CERN estudam o bóson de Higgs desde a sua descoberta em 2012, a fim de investigar as propriedades dessa partícula muito especial. O bóson de Higgs, produzido a partir de colisões de prótons no Large Hadron Collider (LHC), se desintegra, conhecido como decaimento, quase instantaneamente em outras partículas. Um dos principais métodos de estudo das propriedades do bóson de Higgs é analisando como ele se decompõe nas várias partículas fundamentais e na taxa de desintegração.

O CMS obteve evidência desse decaimento com 3 sigma, o que significa que a chance de ver o bóson de Higgs decaindo em um par de múons devido à flutuação estatística é menor que um em 700. O resultado de dois sigma do ATLAS significa que as chances são de um em 40. A combinação de ambos os resultados aumentaria a significância bem acima de 3 sigma e fornece fortes evidências para a deterioração do bóson de Higgs em dois múons, de acordo com a previsão do Modelo Padrão.

O bóson de Higgs é a manifestação quântica do campo de Higgs, que dá massa às partículas elementares com as quais ele interage, através do mecanismo de Brout-Englert-Higgs. Ao medir a taxa na qual o bóson de Higgs decai em diferentes partículas, é possível inferir a força de sua interação com o campo de Higgs: quanto maior a taxa de decaimento em uma determinada partícula, maior a sua interação com o campo. Até agora, as experiências ATLAS e CMS observaram o decaimento do bóson de Higgs em diferentes tipos de bósons, como W e Z, e férmions mais pesados, como o lépton tau e os quarks top e bottom. A interação com os quarks mais pesados, superior e inferior, foi medida em 2018. Os múons são muito mais leves em comparação e sua interação com o campo de Higgs é mais fraca. Portanto, as interações entre o bóson de Higgs e os múons não haviam sido vistas anteriormente no LHC.

O que torna esses estudos ainda mais desafiadores é que, no LHC, para cada bóson de Higgs previsto decaindo em dois múons, existem milhares de pares de múons produzidos por outros processos que imitam a assinatura experimental esperada. A assinatura característica do decaimento do bóson de Higgs para os múons é um pequeno excesso de eventos que se agrupam perto de uma massa de 125 GeV, que é a massa do bóson de Higgs. Isolar as interações entre o bóson de Higgs e o par de múons não é tarefa fácil. Para isso, os dois experimentos medem a energia, o momento e os ângulos dos candidatos a múons no decaimento do bóson de Higgs. Além disso, a sensibilidade das análises foi aprimorada por métodos como estratégias sofisticadas de modelagem de segundo plano e outras técnicas avançadas, como algoritmos de aprendizado de máquina. O CMS combinou quatro análises separadas, cada uma otimizada para categorizar eventos físicos com possíveis sinais de um modo de produção de bóson de Higgs específico. A ATLAS dividiu seus eventos em 20 categorias direcionadas a modos específicos de produção do bóson de Higgs.

Os resultados, até agora consistentes com as previsões do Modelo Padrão, usaram o conjunto completo de dados coletados na segunda execução do LHC. Com mais dados a serem gravados da próxima corrida do acelerador de partículas e com o LHC de alta luminosidade, as colaborações do ATLAS e do CMS esperam atingir a sensibilidade (5 sigma) necessária para estabelecer a descoberta do decaimento do bóson de Higgs para dois múons e restringir possíveis teorias da física além do modelo padrão que afetariam esse modo de decaimento do bóson de Higgs.

Fonte: CERN