A descoberta do bóson de Higgs no Large Hadron Collider (LHC) do CERN em 2012 marcou um marco significativo na física de partículas.
Desde então, as colaborações ATLAS e CMS têm investigado diligentemente as propriedades desta partícula única e buscado estabelecer as diferentes maneiras pelas quais ela é produzida e se decompõe em outras partículas.
Na conferência Large Hadron Collider Physics (LHCP), ATLAS e CMS relatam como se uniram para encontrar a primeira evidência do raro processo no qual o bóson de Higgs decai em um bóson Z, o portador eletricamente neutro da força fraca, e um fóton, o portador da força eletromagnética. Este decaimento do bóson de Higgs pode fornecer evidências indiretas da existência de partículas além daquelas previstas pelo Modelo Padrão da física de partículas.
O decaimento do bóson de Higgs em um bóson Z e um fóton é semelhante ao decaimento em dois fótons. Nestes processos, o bóson de Higgs não decai diretamente nestes pares de partículas. Em vez disso, os decaimentos ocorrem por meio de um "loop" intermediário de partículas "virtuais" que surgem e desaparecem e não podem ser detectadas diretamente. Estas partículas virtuais podem incluir partículas novas, ainda não descobertas, que interagem com o bóson de Higgs.
O Modelo Padrão prevê que, se o bóson de Higgs tiver uma massa de cerca de 125 bilhões de elétron-volts, aproximadamente 0,15% dos bósons de Higgs decairão em um bóson Z e um fóton. Mas algumas teorias que estendem o Modelo Padrão preveem uma taxa de decaimento diferente. Medir a taxa de decaimento, portanto, fornece informações valiosas sobre a física além do Modelo Padrão e a natureza do bóson de Higgs.
Anteriormente, usando dados de colisões próton-próton no LHC, o ATLAS e o CMS conduziram independentemente extensas pesquisas para o decaimento do bóson de Higgs em um bóson Z e um fóton. Ambas as buscas usaram estratégias semelhantes, identificando o bóson Z por meio de seus decaimentos em pares de elétrons ou múons (versões mais pesadas de elétrons). Estes decaimentos do bóson Z ocorrem em cerca de 6,6% dos casos.
Nestas buscas, os eventos de colisão associados a este decaimento do bóson de Higgs (o sinal) seriam identificados como um pico estreito, sobre um fundo suave de eventos, na distribuição da massa combinada dos produtos de decaimento. Para aumentar a sensibilidade ao decaimento, o ATLAS e o CMS exploraram os modos mais frequentes em que o bóson de Higgs é produzido e categorizaram os eventos com base nas características destes processos de produção. Foram também usadas técnicas avançadas de aprendizado de máquina para distinguir ainda mais entre eventos de sinal e de fundo.
Em um novo estudo, o ATLAS e o CMS uniram forças para maximizar o resultado de suas buscas. Ao combinar os conjuntos de dados coletados por ambos os experimentos durante a segunda execução do LHC, que ocorreu entre 2015 e 2018, as colaborações aumentaram significativamente a precisão estatística e o alcance de suas pesquisas. Este esforço colaborativo resultou na primeira evidência do decaimento do bóson de Higgs em um bóson Z e um fóton. O resultado tem uma significância estatística de 3,4 desvios padrão, abaixo do requisito convencional de 5 desvios padrão para reivindicar uma observação. A taxa de sinal medida é 1,9 desvios padrão acima da previsão do Modelo Padrão.
Cada partícula tem uma relação especial com o bóson de Higgs, tornando a busca por raros decaimentos de Higgs uma alta prioridade. A existência de novas partículas pode ter efeitos muito significativos nos raros modos de decaimento do Higgs. Este estudo é um teste poderoso do Modelo Padrão. Com a terceira execução em curso do LHC e o futuro LHC de alta luminosidade, será possível melhorar a precisão deste teste e sondar decaimentos de Higgs cada vez mais raros.
Fonte: CERN
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