Figura 1:A distribuição ponderada do ângulo azimutal entre dois jatos na região do sinal usada na medição do CP. Os rendimentos de sinal e fundo são determinados a partir do ajuste. As taxas de dados para simulação são mostradas na parte inferior do gráfico. O histograma azul representa o sinal medido; as áreas sombreadas representam a incerteza total. Crédito:ATLAS Collaboration / CERN
Para explicar as massas dos bósons eletrofracos - os bósons W e Z - teóricos da década de 1960 postularam um mecanismo de quebra espontânea de simetria. Embora esse formalismo matemático seja relativamente simples, sua pedra fundamental - o bóson de Higgs - permaneceu sem ser detectado por quase 50 anos.
Desde sua descoberta em 2012, pesquisadores dos experimentos ATLAS e CMS no Large Hadron Collider (LHC) do CERN investigaram incansavelmente as propriedades do bóson de Higgs. Eles mediram sua massa em cerca de 125 GeV - cerca de 130 vezes a massa do próton em repouso - e descobriram que ele tem carga elétrica zero e spin.
A imagem no espelho
Os pesquisadores decidiram determinar as propriedades de paridade do bóson de Higgs medindo seus decaimentos para pares de bósons W (H → WW *), Bósons Z (H → ZZ *) e para fótons (H → γγ). Por meio dessas medições, eles confirmaram que o bóson de Higgs tem paridade de carga uniforme (CP). Isso significa que - conforme previsto pelo Modelo Padrão - as interações do bóson de Higgs com outras partículas não mudam quando "olham" no espelho CP.
Como qualquer distorção neste espelho de CP (ou "violação de CP nas interações de Higgs"), como mistura CP-ímpar, indicaria a presença de fenômenos ainda não descobertos, os físicos do LHC estão examinando cuidadosamente os pontos fortes dos acoplamentos do bóson de Higgs. Um novo resultado da Colaboração ATLAS, lançado para a conferência Higgs 2020, visa enriquecer a imagem de Higgs estudando seus decaimentos WW *.
Um novo estudo do ATLAS examina a natureza do CP do acoplamento efetivo entre o bóson de Higgs e os glúons (as partículas mediadoras da força forte). Até agora, a produção induzida por fusão de glúon de um bóson de Higgs, em associação com dois jatos de partículas, não foi estudado em uma análise dedicada. O estudo deste mecanismo de produção é uma excelente forma de buscar indícios de violação de CP, uma vez que afeta a cinemática do bóson de Higgs, deixando um traço no ângulo azimutal entre os jatos medidos pelo ATLAS.
Figura 2:A distribuição ponderada do ângulo azimutal entre dois jatos na região do sinal usado na medição de polarização. Os rendimentos de sinal e fundo são determinados a partir do ajuste. As taxas de dados para simulação são mostradas na parte inferior do gráfico. O histograma vermelho representa o sinal medido; as áreas sombreadas representam a incerteza total. Crédito:ATLAS Collaboration / CERN
Filtro de polarização
Em altas energias, as forças fracas e eletromagnéticas se fundem em uma única força eletrofraca. Ainda com baixas energias, ondas eletromagnéticas (como a luz) podem viajar uma distância infinita, enquanto as interações fracas têm um intervalo finito. Isso ocorre porque, ao contrário dos fótons (os portadores da força eletromagnética), Os bósons W e Z são massivos. Suas massas se originam de interações com o campo de Higgs.
Outra diferença é que as ondas eletromagnéticas são transversais; oscilações no campo eletromagnético ocorrem apenas no plano perpendicular à sua propagação. Bósons W e Z, por outro lado, têm polarizações longitudinais e transversais devido às suas interações com o campo de Higgs. Há uma interação sutil entre essas polarizações longitudinais e as massas dos bósons que garante que as previsões do Modelo Padrão permaneçam finitas.
Caso o bóson de Higgs não seja uma partícula escalar fundamental, e em vez disso, uma entidade que surge de uma nova dinâmica, um mecanismo diferente (mais complicado) teria que dar massa aos bósons W e Z. Nesse caso, os acoplamentos medidos do bóson de Higgs com os bósons eletrofracos podem desviar-se dos valores previstos do modelo padrão.
A ATLAS Collaboration lançou seu primeiro estudo de acoplamentos bósons de Higgs dependentes de polarização individuais para bósons eletrofracos massivos. Especificamente, os físicos examinaram a produção de bósons de Higgs por meio da fusão vetor-bóson em associação com dois jatos. Assim como um filtro polarizador ajuda você a tirar uma foto mais nítida à beira-mar, absorvendo seletivamente a luz polarizada, este novo estudo do ATLAS investigou acoplamentos individuais do bóson de Higgs a bósons eletrofracos polarizados longitudinal e transversalmente. Avançar, semelhante ao estudo do acoplamento do bóson de Higgs aos glúons, a presença de um novo mecanismo impactaria a cinemática dos jatos medida pelo ATLAS.
Siga esses jatos!
O principal desafio dessas análises é a raridade dos eventos do bóson de Higgs sendo estudados. Para as seleções de sinal estudadas no novo resultado do ATLAS, apenas cerca de 60 bósons de Higgs são observados via fusão glúon e apenas 30 bósons de Higgs via fusão vetor-bóson. Enquanto isso, os eventos de fundo são quase cem vezes mais abundantes. Para enfrentar este desafio, ambas as análises não apenas contaram eventos, mas também examinaram as formas do ângulo azimutal (o ângulo transversal à direção dos feixes de prótons) entre os dois jatos. A correlação entre esses jatos ajudou a resolver as propriedades da produção do bóson de Higgs.
Os pesquisadores usaram a técnica de metamorfose de parâmetro para interpolar e extrapolar a distribuição deste ângulo de um pequeno conjunto de referências de acoplamento para uma grande variedade de cenários de acoplamento. As distribuições ajustadas do ângulo azimutal entre os jatos são mostradas nas Figuras 1 e 2.
Até aqui, ambas as distribuições não mostram nenhum sinal de nova física. Mais uma vez os dados do LHC são analisados (esses estudos incluem apenas dados coletados em 2015 e 2016), as áreas sombreadas nas parcelas que representam a incerteza da medição devem diminuir. Isso fornecerá uma imagem ainda mais nítida do bóson de Higgs.
