Figura 1:Intervalos permitidos para os coeficientes de acoplamento de novas interações EFT. O coeficiente cHq (3), por exemplo, descreve a força de uma interação efetiva de quatro partículas entre dois quarks, um bóson de calibre e o bóson de Higgs - que não está presente no modelo padrão. A previsão do Modelo Padrão para esses coeficientes é zero. Crédito:ATLAS Collaboration / CERN
Os físicos do Large Hadron Collider (LHC) do CERN estão em busca de fenômenos físicos além do modelo padrão. Algumas teorias prevêem que uma partícula ainda não descoberta poderia ser encontrada na forma de uma nova ressonância (um pico estreito) semelhante àquela que anunciou a descoberta do bóson de Higgs em 2012.
Contudo, A natureza nem sempre é tão gentil e as novas ressonâncias podem ser tão massivas que sua produção requer energias de colisão além da do LHC. Se então, nem tudo está perdido. Da mesma forma que o terreno suavemente inclinado pode indicar a presença de um pico de montanha à frente, Os dados do LHC podem conter algumas dicas de que fenômenos interessantes estão presentes em escalas de energia mais altas.
Um modelo muito eficaz
Em vez de procurar uma nova partícula, os físicos podem procurar novos tipos de interação, não está presente no modelo padrão. Uma vez que seus mecanismos subjacentes são desconhecidos, essas interações são chamadas de interações "eficazes", e sua estrutura "teoria de campo efetiva" (EFT). Quase todos os tipos de nova física dão origem a essas novas interações, com diferentes modelos teóricos, deixando diferentes pegadas na EFT. Contudo, os efeitos podem ser sutis, especialmente se os fenômenos de grande massa estiverem muito além do alcance da energia de colisão do LHC.
Uma vez que essas interações adicionais afetariam todos os processos físicos, os cientistas do experimento ATLAS estão implementando uma nova estratégia de busca que combina medições em todo o espectro de seu programa de pesquisa. Uma nova análise ATLAS lançada hoje usa medições combinadas das propriedades do bóson de Higgs para pesquisar sinais de novos fenômenos usando esta estrutura EFT. Como nenhum fenômeno novo foi visto, os físicos impõem restrições à sua magnitude. De todas as novas interações possíveis entre as partículas do modelo padrão, apenas um subconjunto relacionado ao bóson de Higgs poderia ser testado (aqueles estudados na medição combinada original, que inclui decaimentos do bóson de Higgs para dois quarks b, dois fótons, e quatro léptons).
A Figura 1 mostra os intervalos permitidos para os coeficientes de acoplamento de novas interações EFT às quais a análise ATLAS é sensível. O modelo padrão requer que todos esses coeficientes sejam zero, como as interações não estão presentes. Desvios positivos ou negativos significativos indicariam novos fenômenos.
Todas as medidas ATLAS são compatíveis com o modelo padrão, indicando que se a nova física estiver presente, ou está em escalas de energia maiores do que 1 TeV (a escala de massa de referência para a qual esses resultados são relatados) ou se manifesta em outras interações não sondadas por este estudo. Enquanto isso, graças ao design da análise, os resultados podem ser adicionados a combinações mais amplas, com medições EFT obtidas em outros canais de medição e até mesmo em outros experimentos.
Figura 2:Intervalos de exclusão para o cenário Mh125 (χ), em termos dos dois parâmetros do modelo:a massa do pseudoescalar A e outro parâmetro do modelo, tan β, que juntos e em primeira aproximação determinam o setor estendido do bóson de Higgs do MSSM. As áreas azuis e roxas são excluídas pelas pesquisas diretas e a área amarela é excluída pela nova medição com base nas propriedades do bóson de Higgs. A área cinza é excluída, uma vez que a massa do bóson MSSM Higgs resultante não seria compatível com o valor medido de 125,09 GeV. Crédito:ATLAS Collaboration / CERN
Uma super modelo
O modelo padrão supersimétrico mínimo (MSSM) é uma extensão do modelo padrão, que prevê (além de uma infinidade de outras novas partículas) um total de 5 bósons de Higgs - dois escalares (he H), um pseudoescalar (A), e dois bósons de Higgs carregados (H +/- ) - bem como possíveis modificações nas interações do bóson 125 GeV Higgs observado.
Os físicos usam duas estratégias complementares para buscar dicas do MSSM:procurando diretamente por novas partículas, ou indiretamente por meio de medições precisas das propriedades do bóson de Higgs. Em outra nova análise divulgada pela ATLAS Collaboration, pesquisadores seguiram a última estratégia, usando a mais recente combinação de medições de acoplamentos de Higgs em todos os canais de decaimento acessíveis para definir restrições nos parâmetros MSSM. Eles exploraram vários cenários de benchmark MSSM, todos assumindo que o bóson de 125 GeV Higgs era o escalar h mais leve.
Um exemplo é mostrado na Figura 2, em que algumas das novas partículas previstas no modelo são relativamente leves. Isso mostra que não apenas grandes intervalos de espaço de parâmetro são excluídos, mas que essas exclusões também complementam muito bem as de pesquisas diretas realizadas anteriormente.
Até aqui, o modelo padrão vence
Os novos resultados do ATLAS definem restrições sobre a possível natureza da nova física sob a estrutura EFT e excluem grandes faixas de espaço de parâmetro em cenários MSSM. Seu sucesso é apenas o primeiro passo na nova estratégia de pesquisa de medição combinada. Expandindo o escopo de medições futuras para incluir mais análises - incluindo aquelas envolvendo bósons vetoriais e quarks top - e adicionando mais dados, os físicos planejam dar ao modelo padrão um desafio ainda mais difícil.
