Osservato il bosone di Higgs decadere in coppie di muoni?

Il decadimento del bosone di Higgs in due muoni è uno dei decadimenti più rari mai rilevati al LHC e dimostrerebbe per la prima volta che l'accoppiamento muone-Higgs, consente a quella particella elementare di acquisire una massa grazie all'interazione con il campo di Higgs

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Il bosone di Higgs scoperto al Large Hadron Collider (LHC) nel 2012 è l’ultimo tassello del puzzle del modello standard delle particelle. Il bosone è stato teorizzato dal Peter Higgs decenni fa per dare consistenza a tutte le particelle fondamentali oggi note come i quark, gli elettroni, i neutrini, i muoni, e a tutte le altre particelle dotate di “massa” ad eccezione del fotone.

Il ruolo che ricoprono il bosone di Higgs e il suo campo è fondamentale nell’universo che osserviamo, i fisici ritengono che la particella sia responsabile della “massa” manifestata dalle particelle. Le particelle che attraversano il campo di Higgs, che oggi permea l’intero universo, più vi rimangono “invischiate”, tanto più sono “massicce”. Il fotone invece non risente dell’effetto del campo e si propaga indisturbato alla velocità massima consentita nell’universo.
I fisici possono dimostrare l’accoppiamento tra il bosone di Higgs e le particelle osservando i prodotti del suo decadimento. Il bosone di Higgs ha nell’universo attuale un’esistenza molto breve, esso “vive” per soli 15,6 miliardesimi di miliardesimi di secondo (1,56×10 ^ -22) decadendo in altre particelle.
Quando i fisici scoprono una nuova particella dal decadimento del bosone dimostrano che esiste un “accoppiamento” tra il bosone di Higgs stesso e le particelle emesse dal suo decadimento. Quell’accoppiamento dimostra che il campo di Higgs fa si che le particelle acquistino massa. Questa è l’importanza rivestita dal bosone nel nostro universo e per questo i fisici studiano i prodotti del decadimento del bosone.
Di solito, il bosone di Higgs decade in particelle più massicce, come coppie di quark bottom. Se invece si creassero abbastanza bosoni di Higgs all’interno di LHC alcuni di essi dovrebbero decadere in particelle più leggere a cui si accoppia, come i muoni. Il decadimento di Higgs in due muoni è uno dei decadimenti più rari che i fisici possono rilevare. Tale decadimento dimostrerebbe per la prima volta l’accoppiamento muone-Higgs, dimostrando una volta di più che una particella elementare ottiene la sua massa interagendo con il campo di Higgs.
I fisici, per ora, hanno ricavato alcuni dati promettenti ma non definitivi sul decadimento di Higgs in coppie di muoni, utilizzando l’acceleratore LHC. I ricercatori che lavorano sui dati del Compact Muon Solenoid (CMS), uno dei rilevatori di particelle installati nell’acceleratore, hanno scoperto un “eccesso” di muoni. L’acceleratore di particelle LHC ha però molti modi di produrre muoni in maniera accidentale. Ora i fisici devono dimostrare che quanto osservato nei dati non sia rumore di fondo ma il prodotto di un accoppiamento tra Higgs e le particelle osservate.
L’eccesso osservato non è grande“, ha spiegato Maria Spiropulu Professoressa di Fisica presso il California Institute of Technology, (che ha conseguito il dottorato in fisica ad Harvard ed è stata Enrico Fermi Fellow presso l’Università di Chicago prima di trasferirsi al CERN come ricercatrice) a WordsSideKick.com. “Guardando i dati grezzi, anche con un occhio esperto, potresti non rendertene conto“, ha aggiunto.
I fisici hanno utilizzato algoritmi ad apprendimento automatico, dimostrando che questo minuscola quantità di muoni inspiegabili ha solo lo 0,27% di essere osservata per caso. I fisici chiamano quel livello di certezza di aver trovato un segnale e non solo rumore di fondo “tre sigma“.
Generalmente, una scoperta non è considerata provata finché non raggiunge almeno i “cinque sigma“, che equivale a una probabilità dello 0,00006% di essere un prodotto accidentale del rumore di fondo. Per questo la Spiropulu è stata attenta a dire che un accoppiamento Higgs-muone non è stato dimostrato ancora. Anche i ricercatori che lavorano su ATLAS, un esperimento correlato al LHC, hanno trovato prove dell’accoppiamento Higgs-muone, ma a solo due sigma. Ciò equivale a una probabilità del 4,5% che il loro segnale fosse solo rumore di fondo.
La scoperta di CMS pubblicata il 29 luglio sul sito web è un motivo per iniziare ad entusiasmarsi. Se più dati convergono verso il livello di confidenza cinque sigma, ha spiegato la Spiropulu, potremmo essere nella direzione giusta per confermare una relazione esponenziale tra la massa di un prodotto di decadimento di Higgs e la frequenza con cui il bosone decade in quella particella. I fisici ritengono che la frequenza del decadimento del bosone di Higgs in ciascuna particella a cui si accoppia possa essere prevista dal quadrato della massa di quella particella, quindi le particelle più pesanti si presentano molto più spesso. Questa scoperta potrebbe aiutare a dimostrare se la frequenza corrisponde alla previsione
La Spiropulu ha affermato che LHC sta probabilmente spingendo i limiti della sua sensibilità in termini di rilevamento di prodotti di decadimento di Higgs più leggeri. Il collisore certamente non è abbastanza potente o sensibile da produrre abbastanza decadimenti dell’elettrone da Higgs da poter essere misurato. E non è neanche lontanamente vicino al livello tecnico delle apparecchiature necessarie per misurare l’accoppiamento tra Higgs e i neutrini ultraleggeri.
I futuri rilevatori avranno un vantaggio rispetto a LHC, ha spiegato la Spiropulu. Il collisore è una macchina grande e complessa di forma circolare e al suo interno vengono accelerati e fatti collidere fasci di protoni ad alta energia. Queste collisioni coprono un ampio intervallo di energia, perché i fisici non conoscevano ancora la massa di Higgs, un dettaglio critico per la produzione della particella. I collisori di nuova generazione potrebbero essere modulati sulla massa del bosone di Higgs e produrre abbastanza eventi da rivelare accoppiamenti ancora più rari. E man mano che i rilevatori diventeranno più sensibili, ha aggiunto la Spiropulu, potrebbero riscontrare discrepanze con il modello standard, aprendo la strada verso nuove idee per la fisica.
Fonte: https://www.livescience.com/lhc-higgs-boson-decay-muon-pairs.html

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