Evento candidato para a produção de fusão vetor-bóson de um bóson de Higgs com subsequente decadência em bósons W decadentes leptonicamente. As partículas do estado final são um elétron (amarelo), muon (turquesa) e dois jatos para a frente (verde e vermelho). A seta branca indica falta de momento transversal. Crédito:ATLAS Collaboration / CERN
A descoberta do bóson de Higgs em 2012 foi apenas o começo. Os físicos imediatamente começaram a medir suas propriedades, uma investigação que ainda está em andamento enquanto eles tentam desvendar se o mecanismo de Higgs é realizado na natureza, conforme previsto pelo Modelo Padrão da física de partículas. No início desta primavera, pesquisadores do ATLAS Experiment do CERN anunciaram que mediram o bóson de Higgs em seus decaimentos para bósons W. Bósons W são particularmente interessantes neste contexto, já que as propriedades de sua auto-interação (espalhamento do bóson vetorial) deram credibilidade ao mecanismo que previu o bóson de Higgs.
Os bósons de Higgs produzidos no Large Hadron Collider (LHC) vivem uma vida muito curta de apenas 10 -22 segundos antes de eles se deteriorarem. Eles revelam suas propriedades ao mundo exterior duas vezes:durante sua produção e sua decomposição. O novo resultado do ATLAS estudou o bóson de Higgs em ambos os momentos, olhando para sua produção por meio de dois métodos diferentes e seu subsequente decaimento em dois bósons W (H➝WW *). Como um em cada cinco bósons de Higgs decai em bósons W, é o canal ideal para estudar seu acoplamento aos bósons vetoriais. Os pesquisadores também se concentraram nas formas mais comuns de produzir a famosa partícula, via fusão glúon (ggF) e fusão vetor-bóson (VBF).
A medição do abacate
Os físicos do ATLAS quantificaram a frequência com que o bóson de Higgs interage com os bósons W. Depois de comparar sua medição e simulação em um histograma, a fim de demonstrar que eles podem modelar os dados com precisão (ver Figura 3), os pesquisadores realizaram uma análise estatística do corte transversal dos processos. O resultado é exibido na Figura 2, onde os modos de produção ggF e VBF são mostrados separadamente nos dois eixos. O resultado do ATLAS é indicado com uma estrela, e é circundado por faixas marrons e verdes que representam as incertezas. Se a análise fosse repetida muitas vezes em dados diferentes, 68 ou 95% dessas repetições devem cair dentro das faixas incluídas.
Esta 'parcela do abacate' amorosamente batizada não apenas ilustra os resultados experimentais, mas também a previsão pelo Modelo Padrão (mostrado com uma cruz vermelha). Isso indica que o resultado da medição está de acordo com a previsão teórica. Se um desvio maior entre experimento e teoria fosse visto, pode sugerir fenômenos atualmente desconhecidos. Mesmo que o modelo padrão esteja bem estabelecido, sabe-se que está incompleto, o que motiva a busca por tais discrepâncias.
Figura 2:Medição da seção transversal da produção do bóson de Higgs via fusão do glúon (eixo y) e processo de fusão vetor-bóson (eixo x). A estrela exibe o valor de medição e cruza o valor previsto pelo Modelo Padrão (circulado por uma linha indicando a incerteza teórica). Ambos concordam bem dentro das incertezas. Crédito:ATLAS Collaboration / CERN
O novo jogador
Os físicos só recentemente puderam confirmar que o modo de produção de VBF também contribui para o processo H➝WW *. Agora, os analisadores melhoraram seus resultados significativamente usando uma rede neural - a mesma técnica que permite que os computadores identifiquem pessoas nas imagens. Usando esta rede neural, eles foram capazes de melhorar drasticamente a separação dos eventos VBF dos ggF mais frequentes e de outras contribuições de fundo.
Entre as poucas dezenas de eventos cujas propriedades são muito compatíveis com a produção de VBF do bóson de Higgs, os pesquisadores selecionaram um para mostrar como esses eventos aparecem no detector (consulte a tela de eventos). O modo de produção VBF se destaca pelos dois jatos de hádrons bem separados atingindo as regiões à frente do detector ATLAS. Eles recuam contra as partículas de decaimento dos bósons W:o elétron e o múon.
Figura 3:Os eventos de dados selecionados para o modo de produção ggF são comparados às previsões em função da massa transversal do bóson de Higgs. O sinal do bóson de Higgs é mostrado em vermelho sobre o fundo da produção principalmente de quark top (amarelo) e WW (violeta). O painel do meio mostra a proporção dos dados para a soma de todas as simulações, enquanto o painel inferior compara os dados com a soma de todas as previsões. Crédito:ATLAS Collaboration / CERN
O que o espera a longo prazo?
Do ponto de vista experimental, faz sentido analisar o bóson de Higgs de acordo com como ele decai no detector, sondando as características da decomposição com precisão. Mas, para medir as propriedades do modo de produção, diferentes análises focadas no decaimento precisam ser combinadas. Para agilizar esse processo, os físicos usam seções cruzadas de modelo simplificado (STXS). Isso categoriza as colisões de partículas de acordo com as propriedades associadas ao modo de produção, permitindo assim aos físicos medir todas as taxas de eventos individualmente. Como a categorização é padronizada entre análises e até mesmo entre experimentos, combinações posteriores são facilitadas.
Apesar das melhorias notáveis deste novo resultado, o verdadeiro poder da abordagem STXS se tornará aparente em combinações com outras análises. ATLAS produziu uma combinação STXS no ano passado, e a próxima iteração se beneficiará do poder dessa nova medição de H➝WW *.
