Desde que o bóson de Higgs foi descoberto em 2012, cientistas do Large Hadron Collider (LHC) têm estudado as propriedades dessa partícula muito especial e sua relação com o mecanismo fundamental essencial para a geração de massa de partículas elementares. Uma propriedade que ainda precisa ser verificada experimentalmente é se o bóson de Higgs é capaz de acoplar a si mesmo, conhecido como autoacoplamento. Tal interação contribuiria para a produção de um par de bósons de Higgs nas colisões próton-próton de alta energia do LHC, um processo incrivelmente raro no Modelo Padrão - mais de 1000 vezes mais raro do que a produção de um único bóson de Higgs! Medir um autoacoplamento do bóson de Higgs diferente do valor previsto teria consequências importantes; o universo pode ser capaz de fazer a transição para um estado de energia inferior e as leis que governam as interações da matéria podem assumir uma forma muito diferente.

Na conferência Rencontres de Moriond em andamento, a colaboração da ATLAS apresentou o resultado de um estudo que explora melhor essa questão. Os físicos do ATLAS procuraram os dois processos de produção de pares de Higgs intimamente relacionados que poderiam estar presentes em colisões de LHC, embora apenas um deles esteja relacionado ao auto-acoplamento do bóson de Higgs e contribua favoravelmente para a produção de pares de Higgs quando sua massa total é baixa. Esses dois processos interferem na mecânica quântica e suprimem a produção de pares de bósons de Higgs no Modelo Padrão. Se um novo fenômeno da física está em jogo, poderia mudar o auto-acoplamento do bóson de Higgs e o ATLAS poderia ver mais pares de bósons de Higgs do que o esperado - ou, no jargão da física de partículas, meça uma seção transversal mais alta.

Para seu novo estudo, Os físicos do ATLAS desenvolveram novas técnicas de análise para pesquisar o raro processo em que um dos dois bósons de Higgs decai para dois fótons e o outro decai para dois quarks bottom (HH → ɣɣbb). Primeiro, eles dividiram os eventos de colisão próton-próton em regiões de baixa e alta massa, de modo a otimizar a sensibilidade ao auto-acoplamento do bóson de Higgs. Então, usando um algoritmo de aprendizado de máquina, eles separaram os eventos que se parecem com o processo HH → ɣɣbb daqueles que não são. Finalmente, eles determinaram a seção transversal para a produção do par de Higgs e observaram como ela varia em função da razão entre o auto-acoplamento do bóson de Higgs e seu valor do Modelo Padrão. Isso permitiu que o ATLAS restringisse o auto-acoplamento do bóson de Higgs, entre -1,5 e 6,7 vezes a previsão do Modelo Padrão, e também a seção transversal de produção do par de Higgs. O resultado do auto-acoplamento do bóson de Higgs é mais de duas vezes mais poderoso do que o resultado ATLAS anterior no mesmo canal de decaimento do par de Higgs.

Embora este resultado defina as melhores restrições do mundo sobre o tamanho do auto-acoplamento do bóson de Higgs, o trabalho está apenas começando. Esta é uma prévia do que está por vir, pois muito mais dados seriam necessários para observar o auto-acoplamento do bóson de Higgs se ele estivesse próximo de sua previsão do Modelo Padrão. Observar o autoacoplamento do bóson de Higgs é, de fato, uma das razões de ser do programa High-Luminosity LHC (HL-LHC), uma atualização para o LHC programada para iniciar as operações no final da década de 2020. Espera-se que o HL-LHC forneça um conjunto de dados mais de 20 vezes maior do que o usado nesta análise e opere com energia de colisão mais alta. Se a produção do par de Higgs for conforme previsto pelo Modelo Padrão, deve ser observado neste enorme conjunto de dados, e uma declaração mais quantitativa será feita sobre a força do acoplamento do bóson de Higgs a ele mesmo.