Na 40ª conferência ICHEP, os experimentos ATLAS e CMS anunciaram novos resultados que mostram que o bóson de Higgs decai em dois múons. O múon é uma cópia mais pesada do elétron, uma das partículas elementares que constituem o conteúdo de matéria do Universo. Embora os elétrons sejam classificados como partículas de primeira geração, múons pertencem à segunda geração. O processo físico do bóson de Higgs decaindo em múons é um fenômeno raro, pois apenas cerca de um bóson de Higgs em 5000 decai em múons. Esses novos resultados têm importância fundamental para a física fundamental porque indicam pela primeira vez que o bóson de Higgs interage com partículas elementares de segunda geração.

Os físicos do CERN têm estudado o bóson de Higgs desde sua descoberta em 2012, a fim de sondar as propriedades dessa partícula muito especial. O bóson de Higgs, produzido a partir de colisões de prótons no Grande Colisor de Hádrons, desintegra-se - conhecido como decadência - quase instantaneamente em outras partículas. Um dos principais métodos de estudar as propriedades do bóson de Higgs é analisar como ele decai nas várias partículas fundamentais e a taxa de desintegração.

CMS obteve evidências dessa decadência com 3 sigma, o que significa que a chance de ver o bóson de Higgs decair em um par de múons a partir da flutuação estatística é menor que um em 700. O resultado de dois sigma do ATLAS significa que as chances são de um em 40. A combinação de ambos os resultados aumentaria a significância bem acima de 3 sigma e fornece forte evidência para o decaimento do bóson de Higgs para dois múons.

"O CMS tem orgulho de ter alcançado essa sensibilidade para a decadência dos bósons de Higgs em múons, e mostrar as primeiras evidências experimentais desse processo. O bóson de Higgs parece interagir também com partículas de segunda geração de acordo com a previsão do Modelo Padrão, um resultado que será ainda mais refinado com os dados que esperamos coletar na próxima execução, "disse Roberto Carlin, porta-voz do experimento CMS.

O bóson de Higgs é a manifestação quântica do campo de Higgs, que dá massa às partículas elementares com as quais interage, através do mecanismo Brout-Englert-Higgs. Ao medir a taxa na qual o bóson de Higgs decai em diferentes partículas, os físicos podem inferir a força de sua interação com o campo de Higgs:quanto maior a taxa de decaimento em uma determinada partícula, mais forte será sua interação com o campo. Até aqui, os experimentos ATLAS e CMS observaram os decaimentos do bóson de Higgs em diferentes tipos de bósons, como W e Z, e férmions mais pesados, como léptons tau. A interação com os quarks mais pesados, a parte superior e inferior, foi medido em 2018. Os múons são muito mais leves em comparação e sua interação com o campo de Higgs é mais fraca. As interações entre o bóson de Higgs e os múons tiveram, Portanto, não foi visto anteriormente no LHC.

"Esta evidência de decaimento do bóson de Higgs para partículas de matéria de segunda geração complementa um programa de física de Higgs Run 2 altamente bem-sucedido. As medições das propriedades do bóson de Higgs alcançaram um novo estágio de precisão e modos de decaimento raros podem ser resolvidos. Essas conquistas dependem do grande conjunto de dados do LHC, a excelente eficiência e desempenho do detector ATLAS e o uso de novas técnicas de análise, "disse Karl Jakobs, Porta-voz do ATLAS.

O que torna esses estudos ainda mais desafiadores é que, no LHC, para cada bóson de Higgs predito decaindo para dois múons, existem milhares de pares de múons produzidos por outros processos que imitam a assinatura experimental esperada. A assinatura característica do decaimento do bóson de Higgs para múons é um pequeno excesso de eventos que se agrupam perto de uma massa de pares de múons de 125 GeV, que é a massa do bóson de Higgs. Isolar o bóson de Higgs para as interações de pares de múons não é tarefa fácil. Para fazer isso, ambos os experimentos medem a energia, momentum e ângulos de candidatos de múon da decadência do bóson de Higgs. Além disso, a sensibilidade das análises foi aprimorada por meio de métodos como estratégias sofisticadas de modelagem de fundo e outras técnicas avançadas, como algoritmos de aprendizado de máquina. CMS combinou quatro análises separadas, cada um otimizado para categorizar eventos físicos com possíveis sinais de um modo de produção de bóson de Higgs específico. O ATLAS dividiu seus eventos em 20 categorias que visavam modos de produção específicos do bóson de Higgs.

Os resultados, que até agora são consistentes com as previsões do Modelo Padrão, usou o conjunto de dados completo coletado na segunda execução do LHC. Com mais dados a serem registrados a partir da próxima execução do acelerador de partículas e com o LHC de alta luminosidade, as colaborações ATLAS e CMS esperam atingir a sensibilidade (5 sigma) necessária para estabelecer a descoberta do decaimento do bóson de Higgs para dois múons e restringir possíveis teorias da física além do Modelo Padrão que afetariam este modo de decaimento do bóson de Higgs.