Decaimento raro do bóson de Higgs pode apontar para uma física além do Modelo Padrão
Distribuição de massa ponderada de fótons Z (γ) de eventos que satisfazem a seleção H → Zγ nos dados. Os eventos são ponderados pelo sinal esperado e pelo fundo em uma janela de massa Zγ contendo 68% do sinal esperado. A curva azul sólida mostra o sinal ajustado mais o modelo de fundo, enquanto a linha tracejada mostra o modelo do componente de ajuste de fundo. Crédito:Colaboração ATLAS/CERN Os físicos de partículas detectaram pela primeira vez um novo decaimento do bóson de Higgs, revelando uma ligeira discrepância nas previsões do Modelo Padrão e talvez apontando para uma nova física além dele. As descobertas foram publicadas na revista Physical Review Letters .
O bóson de Higgs, previsto teoricamente desde a década de 1960, foi finalmente detectado em 2012 no laboratório CERN, na Europa. Como um campo quântico, ele permeia todo o espaço, através do qual outras partículas se movem, adquirindo massa através da sua interação com o campo de Higgs, que pode ser visto aproximadamente como uma espécie de resistência ao seu movimento.
Muitas propriedades do bóson de Higgs, incluindo a forma como ele interage com outras partículas e seus campos associados, já foram medidas para serem consistentes com as previsões do Modelo Padrão.
Mas um modo de decaimento de Higgs que ainda precisava ser investigado era uma previsão teórica de que um bóson de Higgs ocasionalmente decairia e produziria um fóton, o quantum de luz, e um bóson Z, que é uma partícula sem carga que, junto com os dois bósons W, transmite a força fraca.
Cientistas das colaborações ATLAS e CMS no CERN usaram dados de colisões próton-próton obtidos da Execução 2 de 2015 a 2018 para procurar esse decaimento de Higgs Z+fóton específico. O Grande Colisor de Hádrons (LHC) do CERN é o acelerador de partículas de alta energia perto de Genebra, na Suíça, que faz circular prótons em direções opostas enquanto faz com que eles colidam em pontos específicos do detector, milhões de vezes por segundo.
Para esta corrida, a energia na colisão dos dois prótons foi de 13 trilhões de elétron-volts, logo abaixo do máximo atual da máquina, que em unidades mais relacionáveis é de 2,1 microjoules. Isso é mais ou menos a energia cinética de um mosquito médio, ou de um grão de sal, viajando um metro por segundo.
A teoria prevê que cerca de 15 vezes a cada 10.000 decaimentos, o bóson de Higgs deveria decair em um bóson Z e um fóton, o decaimento mais raro no Modelo Padrão. Ele faz isso primeiro produzindo um par de quarks top, ou um par de bósons W, que então decaem em Z e fóton.
A colaboração Atlas/CMS, trabalho de mais de 9.000 cientistas, encontrou uma “taxa de ramificação”, ou fração de decaimentos de 34 vezes por 10.000 decaimentos, mais ou menos 11 por 10.000 – 2,2 vezes o valor teórico.
A fração medida é muito grande – 3,4 desvios padrão acima do valor teórico, um número ainda muito pequeno para descartar um acaso estatístico. Ainda assim, a diferença relativamente grande sugere a possibilidade de uma discrepância significativa em relação à teoria que poderia ser devida à física além do Modelo Padrão – novas partículas que são os intermediários, além do quark top e dos bósons W.
Uma possibilidade para a física além do Modelo Padrão é a supersimetria, a teoria que postula uma simetria – uma relação – entre partículas de meio spin, chamadas férmions, e spin inteiro, chamados bósons, com cada partícula conhecida tendo um parceiro com um spin diferente. por meio inteiro.
Muitos físicos teóricos há muito defendem a supersimetria, pois ela resolveria muitos enigmas que atormentam o Modelo Padrão, como a grande diferença (10
24
) entre as forças da força fraca e da gravidade, ou por que a massa do bóson de Higgs, cerca de 125 gigaelétron-volts (GeV), é muito menor do que a escala de energia da grande unificação de cerca de 10
16
GeV.
No experimento, o massivo bóson Z decai em cerca de 3 × 10
-25
segundos, muito antes de chegar a um detector. Assim, os experimentadores compensaram observando a energia dos dois elétrons ou dois múons que o decaimento Z produziria, exigindo que sua massa combinada fosse maior que 50 GeV, uma fração significativa da massa do Z de 91 GeV.
"Este resultado muito bom foi obtido em conjunto com a colaboração CMS. É, de acordo com a previsão do Modelo Padrão, o estado final mais raro do bóson de Higgs, do qual vimos as primeiras evidências", disse Andreas Hoecker, porta-voz da colaboração ATLAS.
"O decaimento ocorre através de loops quânticos e é, portanto, sensível à nova física de uma forma semelhante, mas não exatamente da mesma forma, que o decaimento de dois fótons, que contribuiu para a descoberta do bóson de Higgs pelo ATLAS e CMS em 2012."
“Este resultado é impressionante por várias razões”, acrescentou Monica Dunford, da colaboração ATLAS Physics. "Somos experimentalmente capazes de medir com tanta precisão esses processos muito raros. Eles são um teste poderoso do Modelo Padrão e de possíveis teorias além dele."
Dunford acrescenta que os grupos adquiriram novos dados durante a Corrida 3 no CERN, que começou em julho de 2022, com 13,6 TeV de energia total. Ainda mais dados virão do Grande Colisor de Hádrons de Alta Luminosidade, que fornecerá cerca de cinco vezes mais colisões próton-próton por segundo. O HL-LHC está previsto para entrar em operação em 2028.
“Esses resultados são uma prévia do que continuaremos a conseguir”, disse Dunford.
Mais informações: G. Aad et al, Evidence for the Higgs Boson Decay to a Z Boson and a Photon at the LHC, Physical Review Letters (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.021803 Informações do diário: Cartas de revisão física
