O bóson de Higgs alcançou fama da noite para o dia em 2012, quando foi finalmente descoberto em uma confusão de outras partículas geradas no Grande Colisor de Hádrons (LHC) do CERN em Genebra, Suíça. A descoberta foi monumental porque o bóson de Higgs, que só havia sido teorizado anteriormente, tem a propriedade especial de dotar outras partículas elementares de massa. Também é extremamente raro e difícil de identificar nos detritos de partículas em colisão.

Os físicos da Caltech desempenharam um papel importante na descoberta do bóson de Higgs, um resultado que rendeu ao físico teórico Peter Higgs uma parte do Prêmio Nobel de Física de 2013, e agora eles continuam a fazer descobertas significativas sobre os raros processos do bóson de Higgs.

Este Verão, pela primeira vez, físicos de partículas usando dados coletados pelo experimento conhecido como Compact Muon Solenóide (CMS) no LHC, encontraram evidências de que o bóson de Higgs decai em um par de partículas elementares chamadas múons. O múon é uma versão mais pesada do elétron, e tanto múons quanto elétrons pertencem a uma classe de partículas conhecidas como férmions, conforme descrito no modelo amplamente aceito de partículas denominado Modelo Padrão. O modelo padrão classifica todas as partículas como férmions ou bósons. Geralmente, férmions são blocos de construção de toda a matéria, e os bósons são os portadores da força.

Um múon também é conhecido como uma partícula de segunda geração. Partículas de férmions de primeira geração, como elétrons, são as mais leves das partículas; partículas de segunda e terceira geração podem decair para se tornar partículas de primeira geração. A nova descoberta representa a primeira evidência de que o bóson de Higgs interage com férmions de segunda geração.

Além disso, este resultado fornece evidências adicionais de que a taxa de decaimento dos pares de Higgs para férmions é proporcional ao quadrado da massa do férmion. Esta é uma previsão chave da teoria de Higgs. Com mais dados, espera-se que os experimentos do LHC confirmem que, de fato, o Higgs dá às partículas fundamentais sua massa.

"A importância desta medição é que estamos investigando processos raros que envolvem o bóson de Higgs, e estamos no regime de investigação da física de Higgs de precisão, onde qualquer desvio das previsões do Modelo Padrão pode nos apontar para uma nova física, "diz Maria Spiropulu, o professor de física Shang-Yi Ch'en da Caltech.

Cientistas analisando dados de outro instrumento no LHC, conhecido como ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS), também encontraram evidências que corroboram a decomposição do bóson de Higgs em múons. Os resultados de ambos os experimentos foram apresentados na 40ª Conferência Internacional de Física de Altas Energias em agosto de 2020.

"Precisamos de mais dados e métodos de análise inteligentes para confirmar nossos resultados, mas esta é a primeira vez que vemos evidências de que o bóson de Higgs decai em dois múons, "diz Irene Dutta (MS '20), um membro da equipe Caltech CMS e estudante de graduação no laboratório de Spiropulu. "Este resultado valida experimentalmente que as previsões do Modelo Padrão da física de partículas são precisas. Mesmo um pequeno desvio do nosso modelo nos diria que algo mais está acontecendo, mas até agora o modelo padrão permanece firme, "diz Dutta.

A descoberta ajudará os cientistas a entender melhor como o bóson de Higgs confere massa aos férmions. O bóson de Higgs pode ser considerado a agitação ou excitação do campo de Higgs. O campo de Higgs atua como um xarope espesso e à medida que as partículas se movem através dele, eles adquirem massa; quanto mais lento as partículas se movem pelo campo, mais pesados ​​eles são (veja o vídeo para uma ilustração metafórica do conceito).

"Queremos entender a origem da massa em nosso universo, "diz Nan Lu, membro da equipe Caltech CMS, um pós-doutorado no laboratório de Spiropulu. "O bóson de Higgs é uma ferramenta experimental para a compreensão desse mecanismo, e pode ser uma alça para descobrir novas físicas. Não podemos observar sistematicamente o bóson de Higgs ou outras partículas elementares, exceto em sua manifestação em colisões de partículas de alta energia, mas eles são os blocos básicos de construção do nosso universo, "diz o Lu.

A equipe do Caltech contribuiu para a nova descoberta ao pesquisar bósons de Higgs produzidos por um mecanismo específico no qual duas partículas chamadas quarks também são geradas ao mesmo tempo (quarks são outro tipo de férmion). Este processo é de interesse especial porque os dois quarks oferecem assinaturas distintas para ajudar a identificar os bósons de Higgs. Lu desenvolveu o método para sondar a sensibilidade da pesquisa CMS para diferentes massas do bóson de Higgs, melhorando assim a confiança das descobertas. Dutta trabalhou para demonstrar o poder de uma ferramenta de metodologia avançada de inteligência artificial (IA), conhecida como rede neural profunda, para analisar os dados do LHC.

Tanto Dutta quanto Lu ajudaram a derivar os resultados finais de sensibilidade. O ex-bolsista de pós-doutorado da Caltech Joosep Pata, que agora faz parte do corpo docente do Instituto Nacional de Física Química e Biofísica da Estônia, desenvolveu novos métodos para acelerar a complexa análise computacional usada no projeto.

"Sondar as propriedades do bóson de Higgs é o mesmo que procurar por uma nova física que sabemos que deve estar lá", disse Spiropulu. "Estou especialmente orgulhoso do trabalho de Nan, Irene, Joosep, e todo o grupo Caltech CMS, cujo talento, diversidade, e os resultados brilham no cenário de uma grande colaboração internacional. "