Na 40ª conferência do ICHEP, os experimentos de ATLAS e CMS anunciaram novos resultados que mostram que o bóson de Higgs se decompõe em dois múons. O múon é uma cópia mais pesada do elétron, uma das partículas elementares que constituem o conteúdo de matéria do Universo. Enquanto os elétrons são classificados como uma partícula de primeira geração, os múons pertencem à segunda geração. O processo físico do bóson de Higgs decaindo em múons é um fenômeno raro, pois apenas um bóson de Higgs em 5000 decai em múons. Esses novos resultados têm importância fundamental para a física fundamental, porque indicam pela primeira vez que o bóson de Higgs interage com partículas elementares de segunda geração.
Os físicos do CERN estudam o bóson de Higgs desde a sua descoberta em 2012, a fim de investigar as propriedades dessa partícula muito especial. O bóson de Higgs, produzido a partir de colisões de prótons no Large Hadron Collider, se desintegra – conhecido como decaimento – quase instantaneamente em outras partículas. Um dos principais métodos de estudo das propriedades do bóson de Higgs é analisar como ele se decompõe nas várias partículas fundamentais e na taxa de desintegração.
O CMS obteve evidência desse decaimento com 3 sigma, o que significa que a chance de ver o bóson de Higgs decaindo em um par de múons devido à flutuação estatística é menor que um em 700. O resultado de dois sigma do ATLAS significa que as chances são de um em 40. A combinação de ambos os resultados aumentaria a significância bem acima de 3 sigma e fornece fortes evidências para a deterioração do bóson de Higgs em dois múons.
“O CMS se orgulha de ter alcançado essa sensibilidade à decadência dos bósons de Higgs aos múons e de mostrar a primeira evidência experimental desse processo. O bóson de Higgs parece interagir também com partículas de segunda geração, de acordo com a previsão do Modelo Padrão, um resultado que será aprimorado com os dados que esperamos coletar na próxima execução”, disse Roberto Carlin, porta-voz do experimento CMS.
O bóson de Higgs é a manifestação quântica do campo de Higgs, que dá massa a partículas elementares com as quais ele interage, através do mecanismo de Brout-Englert-Higgs. Ao medir a taxa na qual o bóson de Higgs se decompõe em diferentes partículas, os físicos podem inferir a força de sua interação com o campo de Higgs: quanto maior a taxa de decaimento em uma determinada partícula, maior a sua interação com o campo. Até agora, as experiências ATLAS e CMS observaram o decaimento do bóson de Higgs em diferentes tipos de bósons, como W e Z, e férmions mais pesados, como os tau-leptons. A interação com os quarks mais pesados, superior e inferior, foi medida em 2018. Os múons são muito mais leves em comparação e sua interação com o campo de Higgs é mais fraca. Portanto, as interações entre o bóson de Higgs e os múons não haviam sido vistas anteriormente no LHC.
“Essa evidência de decaimento do bóson de Higgs em partículas de matéria de segunda geração complementa um programa de física Run 2 Higgs de muito sucesso. As medições das propriedades do bóson de Higgs atingiram um novo estágio em precisão e modos de decaimento raro podem ser abordados. Essas realizações contam com a grande conjunto de dados do LHC, a excelente eficiência e desempenho do detector ATLAS e o uso de novas técnicas de análise”, disse Karl Jakobs, porta-voz da ATLAS.
O que torna esses estudos ainda mais desafiadores é que, no LHC, para cada bóson de Higgs previsto decaindo em dois múons, existem milhares de pares de múons produzidos por outros processos que imitam a assinatura experimental esperada. A assinatura característica do decaimento do bóson de Higgs para os múons é um pequeno excesso de eventos que se agrupam perto de uma massa de 125 GeV, que é a massa do bóson de Higgs. Isolar as interações entre o bóson de Higgs e o par de múons não é tarefa fácil. Para tanto, os dois experimentos medem a energia, o momento e os ângulos dos candidatos a múons da decadência do bóson de Higgs. Além disso, a sensibilidade das análises foi aprimorada por métodos como estratégias sofisticadas de modelagem de segundo plano e outras técnicas avançadas, como algoritmos de aprendizado de máquina. O CMS combinou quatro análises separadas, cada uma otimizada para categorizar eventos físicos com possíveis sinais de um modo de produção de bóson de Higgs específico. A ATLAS dividiu seus eventos em 20 categorias direcionadas a modos específicos de produção do bóson de Higgs.
Os resultados, até agora consistentes com as previsões do Modelo Padrão, usaram o conjunto completo de dados coletados na segunda execução do LHC. Com mais dados a serem gravados da próxima corrida do acelerador de partículas e com o LHC de alta luminosidade, as colaborações do ATLAS e do CMS esperam atingir a sensibilidade (5 sigma) necessária para estabelecer a descoberta do decaimento do bóson de Higgs para dois múons e restringir possíveis teorias da física além do modelo padrão que afetariam esse modo de decaimento do bóson de Higgs.
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