Visualização do experimento ATLAS no CERN em 2019. Crédito:A. Dunam / CERN
Na Conferência da Sociedade Europeia de Física sobre Física de Altas Energias (EPS-HEP) em Ghent, Bélgica, a ATLAS Collaboration no CERN lançou novas medições das propriedades do bóson de Higgs usando o conjunto de dados LHC Run 2 completo. Criticamente, os novos resultados examinam dois dos decaimentos do bóson de Higgs que levaram à descoberta da partícula em 2012:H → ZZ * → 4ℓ, onde o bóson de Higgs decai em dois bósons Z, por sua vez, decaindo em quatro léptons (elétrons ou múons); e H → γγ onde o bóson de Higgs decai diretamente em dois fótons.
Embora raro, esses canais são facilmente identificados e bem medidos no detector ATLAS, permitindo aos físicos estudar as propriedades do bóson de Higgs com grande precisão. Em particular, eles fornecem novas medições do momento transversal do bóson de Higgs, que pode ser usado para sondar diferentes mecanismos de produção de Higgs e possíveis desvios das interações do modelo padrão.
Em busca de ouro:novas percepções sobre o canal dos quatro leptões
O decaimento H → ZZ * → 4ℓ é o chamado "canal dourado" do bóson de Higgs, pois tem a assinatura mais clara e limpa de todos os modos de decaimento do bóson de Higgs. Graças à maior luminosidade do Run 2, O ATLAS registrou cerca de 300 eventos candidatos ao "canal dourado" entre 2015 e 2018, dos quais espera-se que um terço seja devido a processos em segundo plano do ZZ. O espectro de massa invariável para eventos selecionados de quatro leptons para os dados completos da Execução 2 pode ser visto na Figura 1.
Além do aumento do número de eventos coletados, Os físicos do ATLAS fizeram melhorias em suas análises. Embora a taxa de fundo ZZ tenha sido estimada anteriormente com simulações, associado a uma incerteza teórica, o novo resultado do ATLAS usa dados para avaliar diretamente a contribuição do plano de fundo. Ao mesmo tempo em que mantém a incerteza total sobre o pano de fundo sobre a mesma, isso reduziu significativamente a incerteza teórica e a dependência do modelo da medição.
Figura 1:Distribuição da massa invariante dos quatro léptons selecionados na medição ATLAS de H → ZZ * → 4ℓ usando o conjunto de dados da Run 2 completa. O bóson de Higgs corresponde ao excesso de eventos (azul) sobre o fundo não ressonante ZZ * (vermelho) a 125 GeV. Um raro decaimento do bóson Z em quatro léptons também pode ser observado em cerca de 91 GeV. Crédito:ATLAS Collaboration / CERN
A equipe do ATLAS também introduziu Redes Neurais de Aprendizado Profundo para distinguir quais eventos do bóson de Higgs vieram de quais mecanismos de produção. Esta técnica permite que a equipe ATLAS melhore sua identificação se um bóson de Higgs foi produzido pela fusão comum de um par de glúons (ggF - responsável por 87% dos decaimentos do bóson de Higgs), ou da fusão mais rara de dois bósons vetoriais W ou Z (VBF — 7% dos decaimentos) ou a radiação de um bóson W ou Z (VH — 4%). Uma vez identificado com sucesso, os físicos do ATLAS poderiam então medir a seção transversal da produção para cada um.
Os modos de produção VBF e VH podem ser bem distinguidos pela separação e massa de "jatos" de partículas que eles produzem. Para VBF, os bósons vetoriais são irradiados por dois quarks, que formam jatos energéticos no detector ao longo da direção do feixe e em hemisférios opostos. Enquanto isso, o modo de produção VH também produz dois jatos, com a massa do bóson W (80 GeV) ou Z (91 GeV).
Figura 2:As seções transversais de produção de Higgs vezes a fração de ramificação de Higgs em um par de bósons Z, σ • B, medido no canal de decaimento de quatro leptons. Estes são normalizados pelos valores esperados do modelo padrão. A linha vertical em um é a expectativa do Modelo Padrão com a faixa cinza correspondendo às incertezas da teoria sobre essa expectativa. Os pontos de dados medidos concordam bem em suas incertezas com o Modelo Padrão. Crédito:ATLAS Collaboration / CERN
Contudo, os glúons na produção de ggF também podem irradiar jatos extras, assim, imitando pares de jatos VBF e VH. É aqui que entram as Redes Neurais de Aprendizado Profundo. Elas provaram ser flexíveis o suficiente para separar simultaneamente ggF, VBF e VH com menos sobreposição do que as técnicas anteriores de aprendizado de máquina. As seções transversais de produção de Higgs medidas no canal de quatro leptons podem ser vistas na Figura 2, onde há uma melhoria de 20% na medição da seção transversal de VBF graças à técnica de Rede Neural.
Duas luzes para ver o Higgs:estudando o canal de dois fótons
Os físicos do ATLAS também incorporaram novas e aprimoradas técnicas de análise em seu estudo do decaimento do bóson de Higgs para um par de fótons (H → γγ). Em particular, a identificação aprimorada de fótons e a calibração da energia do jato levaram à redução das incertezas sistemáticas associadas. Os critérios de forma de chuveiro eletromagnético usados para identificar fótons e suprimir candidatos de fótons indesejados de decaimentos de hadron agora foram otimizados em subfaixas do momento transversal do fóton, já que os chuveiros gerados no detector dependem da energia do fóton. Isso levou a melhorias na sensibilidade de alguns por cento.
Figura 3:Distribuição da massa invariante dos dois fótons eleitos na medição ATLAS de H → γγ usando o conjunto de dados Run 2 completo. O bóson de Higgs corresponde ao excesso de eventos observados a 125 GeV em relação ao fundo não ressonante (linha tracejada). Crédito:ATLAS Collaboration / CERN
Os físicos mediram várias seções transversais diferenciais para observáveis sensíveis à produção e decaimento do bóson de Higgs, incluindo distribuições cinemáticas dos jatos produzidos em associação com o bóson de Higgs. Espera-se que as interações além do modelo padrão entre o bóson de Higgs e os bósons de calibre modifiquem essas variáveis, fornecendo um excelente teste para a nova física. As medições de seção transversal inclusiva e diferencial, determinados a partir dos rendimentos de eventos no pico do sinal na distribuição de massa invariante do difóton (ver Figura 3) foram considerados em bom acordo com as previsões do Modelo Padrão. Os físicos do ATLAS usaram essas medidas para restringir a força das interações hipotéticas além do modelo padrão do bóson de Higgs com os bósons de calibre.
Além disso, Os físicos do ATLAS foram capazes de examinar a interação entre o bóson de Higgs e o quark charme. O bóson de Higgs ainda não foi visto decaindo para quarks encantados, que é previsto no Modelo Padrão ter uma taxa vinte vezes menor do que decaimentos para quarks bottom, observado pela primeira vez por ATLAS e CMS em 2018. No entanto, se a força (ou "acoplamento") da interação de Higgs com o quark charme fosse muito maior do que o esperado devido a algum novo processo de física, isso afetaria a distribuição do momento medido do bóson de Higgs. Os físicos procuraram a assinatura desse efeito:um excesso de dados em comparação com a expectativa da teoria na região de baixo momento do bóson de Higgs (ver Figura 4). Tal excesso não foi observado nos dados.
Figura 4:Seção transversal diferencial para o momento transversal (pT, H) do bóson de Higgs dos dois canais individuais (H → ZZ * → 4ℓ, H → γγ) e sua combinação. Crédito:ATLAS Collaboration / CERN
Visão combinada
A seção transversal de produção total do bóson de Higgs foi medida como sendo 56,7 ± 6,3 pb com o canal de decaimento H → γγ, e 54,4 ± 5,6 pb com o canal H → ZZ * → 4ℓ. Combinando os dois canais, a seção transversal total é de 55,4 ± 4,3 pb, de acordo com a previsão do Modelo Padrão de 55,6 ± 2,5 pb. A seção transversal diferencial para o momento transversal do bóson de Higgs em ambos os canais também concorda, como visto na Figura 4, e sua combinação se ajusta às previsões do Modelo Padrão.
Graças ao excelente desempenho do LHC e do detector ATLAS durante a execução 2, Os estudos do ATLAS do bóson de Higgs estão indo além da descoberta, em uma nova era de medições de precisão que aumentam nossa compreensão dessa partícula. A jornada apenas começou!
