As colaborações ATLAS e CMS apresentaram seus resultados mais recentes sobre novas assinaturas para a detecção do bóson de Higgs no Grande Colisor de Hádrons do CERN. Isso inclui pesquisas por raras transformações do bóson de Higgs em um bóson Z - que é o portador de uma das forças fundamentais da natureza - e uma segunda partícula. Observar e estudar transformações que se prevê serem raras ajuda a avançar nossa compreensão da física de partículas e também pode apontar o caminho para uma nova física se as observações forem diferentes das previsões. Os resultados também incluíram pesquisas por sinais de transformações de Higgs em partículas "invisíveis", que poderia iluminar potenciais partículas de matéria escura. As análises envolveram cerca de 140 femtobarns inversos de dados, ou cerca de 10 milhões de bilhões de colisões próton-próton, registrados entre 2015 e 2018.

Os detectores ATLAS e CMS nunca podem ver um bóson de Higgs diretamente:uma partícula efêmera, ele se transforma (ou "decai") em partículas mais leves quase imediatamente após ser produzido em colisões próton-próton, e as partículas mais leves deixam assinaturas reveladoras nos detectores. Contudo, assinaturas semelhantes podem ser produzidas por outros processos do Modelo Padrão. Os cientistas devem, portanto, primeiro identificar as peças individuais que correspondem a essa assinatura e, em seguida, construir evidências estatísticas suficientes para confirmar que as colisões realmente produziram bósons de Higgs.

Quando foi descoberto em 2012, o bóson de Higgs foi observado principalmente em transformações em pares de bósons Z e pares de fótons. Esses chamados "canais de decaimento" têm assinaturas relativamente limpas, tornando-os mais facilmente detectáveis, e foram observados no LHC. Prevê-se que outras transformações ocorram muito raramente, ou para ter uma assinatura menos clara, e, portanto, são difíceis de detectar.

No LHCP, ATLAS apresentou os resultados mais recentes de suas pesquisas para um processo tão raro, em que um bóson de Higgs se transforma em um bóson Z e um fóton (γ). O Z assim produzido, sendo instável, se transforma em pares de léptons, tanto elétrons quanto múons, deixando uma assinatura de dois léptons e um fóton no detector. Dada a baixa probabilidade de observar uma transformação de Higgs para Z _γ com o volume de dados analisado, ATLAS foi capaz de descartar a possibilidade de que mais de 0,55% dos bósons de Higgs produzidos no LHC se transformassem em Z _γ . "Com esta análise, "diz Karl Jakobs, porta-voz da colaboração ATLAS, "podemos mostrar que nossa sensibilidade experimental para esta assinatura atingiu agora perto da previsão do Modelo Padrão." O melhor valor extraído para a intensidade do sinal H → Zγ, definido como a razão entre o rendimento de sinal do modelo padrão observado e o previsto, é encontrado para ser 2.0 ^+1,0 _-0,9 .

CMS apresentou os resultados da primeira busca por transformações de Higgs envolvendo também um bóson Z, mas acompanhado por um méson ρ (rho) ou φ (phi). O bóson Z mais uma vez se transforma em pares de léptons, enquanto a segunda partícula se transforma em pares de píons (ππ) no caso do ρ e em pares de kaons (KK) no caso do φ. "Essas transformações são extremamente raras, "diz Roberto Carlin, porta-voz da colaboração CMS, "e não se espera que sejam observados no LHC, a menos que física além do Modelo Padrão esteja envolvida." Os dados analisados ​​permitiram ao CMS descartar que mais de aproximadamente 1,9% dos bósons de Higgs poderiam se transformar em Zρ e mais de 0,6% poderiam se transformar em Zφ. Embora esses limites sejam muito maiores do que as previsões do Modelo Padrão, eles demonstram a capacidade dos detectores de fazer incursões na busca por física além do Modelo Padrão.

O chamado "setor escuro" inclui partículas hipotéticas que poderiam constituir matéria escura, o elemento misterioso que representa mais de cinco vezes a massa da matéria comum no universo. Os cientistas acreditam que o bóson de Higgs pode conter pistas sobre a natureza das partículas de matéria escura, como algumas extensões do Modelo Padrão propõem que um bóson de Higgs poderia se transformar em partículas de matéria escura. Essas partículas não interagiriam com os detectores ATLAS e CMS, o que significa que eles permanecem "invisíveis" para eles. Isso permitiria que eles escapassem da detecção direta e se manifestassem como "energia ausente" no evento de colisão. No LHCP, ATLAS apresentou seu limite superior mais recente - de 13% - na probabilidade de que um bóson de Higgs pudesse se transformar em partículas invisíveis conhecidas como partículas massivas de interação fraca, ou WIMPs, enquanto o CMS apresentou os resultados de uma nova pesquisa nas transformações de Higgs para quatro leptons por meio de pelo menos um "fóton escuro" intermediário, também apresentando limites para a probabilidade de tal transformação ocorrer no LHC.

O bóson de Higgs continua a provar ser inestimável para ajudar os cientistas a testar o modelo padrão da física de partículas e buscar a física que pode estar além. Estes são apenas alguns dos muitos resultados relativos ao bóson de Higgs que foram apresentados no LHCP.

Nota técnica

Quando os volumes de dados não são altos o suficiente para reivindicar uma observação definitiva de um determinado processo, os físicos podem prever os limites que esperam colocar no processo. No caso das transformações de Higgs, esses limites são baseados no produto de dois termos:a taxa na qual um bóson de Higgs é produzido em colisões próton-próton (seção transversal de produção) e a taxa na qual ele sofrerá uma transformação particular em partículas mais leves (fração de ramificação).

ATLAS esperava colocar um limite superior de 1,7 vezes a expectativa do Modelo Padrão para o processo envolvendo transformações de Higgs em um bóson Z e um fóton (H → Zγ) se tal transformação não estivesse presente; a colaboração foi capaz de colocar um limite superior de 3,6 vezes esse valor, aproximando a sensibilidade às previsões do Modelo Padrão. As pesquisas CMS eram para um processo muito mais raro, previsto pelo Modelo Padrão para ocorrer apenas uma vez em cada milhão de transformações de Higgs, e a colaboração foi capaz de definir limites superiores de cerca de 1000 vezes as expectativas do Modelo Padrão para os processos H → Zρ e H → Zφ.