Figura 2:Distribuição de massa Zγ ponderada de eventos satisfazendo a seleção H → Zγ nos dados. Os eventos são ponderados pelo sinal esperado e fundo em uma janela de massa Zγ contendo 68% do sinal esperado. A curva azul sólida mostra o sinal ajustado mais o modelo de fundo, enquanto a linha tracejada mostra o modelo do componente de fundo de ajuste. Crédito:ATLAS Collaboration / CERN
O bóson de Higgs foi descoberto pelas Colaborações ATLAS e CMS no Large Hadron Collider (LHC) do CERN em 2012 por meio de seus decaimentos em pares de fótons, Bósons W e bósons Z. Desde então, os físicos desses experimentos obtiveram grande percepção das propriedades do bóson de Higgs por meio do estudo de seus diferentes processos de produção e decaimento. Decaimentos para pares de léptons tau e quarks bottom foram estabelecidos, assim como o acoplamento aos quarks top. Contudo, a questão permanece se o bóson de Higgs também pode interagir com partículas ou forças ainda desconhecidas.
Oito anos após sua descoberta, O ATLAS observou quase 90% de todos os decaimentos do bóson de Higgs previstos pelo Modelo Padrão. Um raro decaimento do bóson de Higgs que ainda não foi visto é aquele para um bóson Z e um fóton (Zγ). Esta decadência é de particular interesse para os físicos à medida que avança através de processos envolvendo partículas "virtuais" pesadas (possivelmente novas), que poderia modificar sua taxa.
A ATLAS Collaboration lançou um novo resultado procurando o decaimento do bóson de Higgs para Zγ. Este resultado usa o conjunto de dados LHC Run-2 completo, analisando quase quatro vezes mais eventos do bóson de Higgs do que o resultado ATLAS anterior.
De acordo com o modelo padrão, 0,15% dos bósons de Higgs decaem para Zγ - uma taxa comparável ao decaimento do bóson de Higgs para dois fótons, um dos canais de descoberta. Contudo, ao contrário dos fótons, Os bósons Z decaem quase instantaneamente e não podem ser observados diretamente. Em vez de, os bósons Z são reconstruídos por meio de seus decaimentos em pares de elétrons ou múons. Como menos de 7% dos bósons Z decaem dessa forma, apenas um pequeno sinal esperado de cerca de 1 em 10, 000 bósons de Higgs do modelo padrão podem ser sondados.
Figura 1:Exibição de eventos de um decaimento do bóson de Higgs candidato para um fóton e um bóson Z, onde o bóson Z decai para dois múons (mostrados em vermelho). Os retângulos verdes correspondem aos depósitos de energia nas células do calorímetro eletromagnético, enquanto os retângulos amarelos correspondem aos depósitos de energia nas células do calorímetro hadrônico. Crédito:ATLAS Collaboration / CERN
Para separar eventos do bóson de Higgs de processos abundantes de fundo, Os físicos do ATLAS realizaram um ajuste para a distribuição da massa do bóson Z e do fóton reconstruídos. Este ajuste determina simultaneamente o número de eventos de sinal e de fundo, utilizando as diferentes formas do sinal (pico estreito) e processos de fundo (distribuição suave).
Para aumentar a sensibilidade da pesquisa, os físicos separaram os eventos potenciais do bóson de Higgs em várias categorias, cada um com diferentes razões esperadas de sinal para fundo. Uma dessas categorias, onde o bóson de Higgs é produzido junto com dois jatos para a frente por meio da interação de dois bósons fracos, usou um discriminante multivariado (ou "árvore de decisão impulsionada") para distingui-lo dos outros modos de produção do bóson de Higgs. Outras categorias foram caracterizadas pelo momento do fóton ou o candidato a bóson de Higgs, ou se o bóson Z decaiu em pares de elétrons ou múons.
Os físicos examinaram todas essas categorias simultaneamente, estudar a distribuição da massa do bóson Z e do fóton reconstruídos em eventos selecionados para procurar um excesso causado pelos decaimentos dos bósons de Higgs para Zγ. A Figura 2 mostra a distribuição de massa do bóson Z mais fóton combinada em todas as categorias, com os resultados do ajuste sobrepostos.
Um sinal produz cerca de duas vezes o esperado do modelo padrão, equivalente a uma significância de 2,2 desvios-padrão (5 necessários para declarar uma observação) foi encontrado nos dados. O resultado permite que os físicos do ATLAS excluam, com um nível de confiança de 95%, taxas de produção mais de 3,6 maiores do que o previsto pelo modelo padrão. Mais dados são necessários para aprimorar o decaimento do bóson de Higgs para Zγ.
