Desde a descoberta do bóson de Higgs em 2012, cientistas nas colaborações ATLAS e CMS no Large Hadron Collider (LHC) têm trabalhado arduamente para caracterizar suas propriedades e caçar as diversas maneiras pelas quais essa partícula efêmera pode se decompor. Da decadência copiosa, mas experimentalmente desafiadora, aos quarks b, para a decomposição extremamente rara, mas de baixo fundo em quatro léptons, cada um oferece um caminho diferente para estudar as propriedades dessa nova partícula. Agora, O ATLAS encontrou as primeiras evidências do bóson de Higgs decaindo em dois léptons (um elétron ou um par de múon com carga oposta) e um fóton. Conhecido como "decadência de Dalitz, "este é um dos mais raros decaimentos do bóson de Higgs já visto no LHC.

Para esta análise, Os físicos do ATLAS visaram um decaimento do bóson de Higgs mediado por um fóton virtual. Em contraste com o estábulo familiar, fóton sem massa, esta partícula virtual normalmente tem uma massa muito pequena (mas diferente de zero) e decai instantaneamente para dois léptons.

Os físicos do ATLAS pesquisaram todo o conjunto de dados do LHC Run 2 em busca de eventos de colisão com um fóton e também com dois léptons cuja massa combinada era inferior a 30 GeV. Nessa região, decaimentos com fótons virtuais devem dominar outros processos que produzem o mesmo estado final. O ATLAS mediu uma taxa de sinal do bóson de Higgs neste canal de decaimento que é 1,5 ± 0,5 vezes a expectativa do modelo padrão. A chance de que o sinal observado tenha sido causado por uma flutuação no fundo é de 3,2 sigma - menos de 1 em 1000.

Com grandes quantidades de dados esperados do próximo programa High-Luminosity LHC, estudar raros decaimentos do bóson de Higgs se tornará a nova norma. Isso permitirá que os físicos avancem relatando evidências de sua existência, para confirmar sua observação e conduzir estudos detalhados das propriedades do bóson de Higgs - levando a testes cada vez mais rigorosos do modelo padrão.

A observação do decaimento do bóson de Higgs em um par de fótons e leptões tornará possível aos físicos estudar a simetria da paridade de carga (CP). A simetria CP é uma maneira de dizer que a imagem espelhada de partículas interagindo, onde as partículas são substituídas por suas antipartículas, deve ser exatamente igual à interação original. Essa era uma suposição natural até 1964, quando os físicos que estudavam as partículas de kaon perceberam - para sua grande surpresa - que esse não é o caso no mundo da física de partículas. Desde então, os físicos aprenderam que a violação da simetria do CP é uma assinatura da interação eletrofraca e a incorporaram ao modelo padrão.

Mas com o bóson de Higgs decaindo em três partículas, dois dos quais são cobrados, os físicos serão capazes de examinar se os decaimentos têm uma direção preferida - permitindo que os pesquisadores melhorem sua compreensão das origens da violação da simetria do CP e talvez até mesmo levando a sugestões para uma nova física além do Modelo Padrão.