Questo breve capitolo cerca di darti un’idea delle ricerche condotte su questa nuova particella a LHC e i risultati recentemente ottenuti.

Tra le nuove particelle che vengono ricercate, la particella di Higgs è quella più famosa. La sua scoperta darebbe conferma di una teoria formulata a metà degli anni '60 del XX secolo che descrive il meccanismo in grado di fornire la massa a tutte le particelle del modello standard. Da principi di simmetria discende il fatto che, immediatamente dopo il big bang, tutte le particelle elementari dovessero essere prive di massa. La teoria ipotizza che un mezzo, denominato campo di Higgs, si sia espanso nell'universo pochi istanti dopo il big bang. Le particelle che interagiscono con questo campo hanno una massa diversa da zero: più interagiscono con questo mezzo, cioè maggiore è la loro massa, maggiore è la forza necessaria per accelerarle nel mezzo. Per provare sperimentalmente l'esistenza del campo di Higgs è necessario trovare una quantità osservabile alla quale collegarlo. La teoria quantistica richiede che debba esistere una particella associata al campo di Higgs e che questa particella sia creata dall'eccitazione del campo. Proprio come la creazione di piccoli vortici in un liquido o in un gas. Questi vortici sono i quanti associati alle eccitazioni del campo di Higgs e sono la particella di Higgs. Sono massivi e con vita media molto breve. Decadono in altre particelle prima di essere rivelabili e possono quindi essere trovati solo grazie ai loro prodotti di decadimento. Dopo tre anni di presa dati e di analisi, abbiamo ora una buona idea della massa della particella di Higgs. Con una massa di 125 GeV, essa può decadere in svariate particelle. La misura dei rapporti dei decadimenti nelle diverse particelle è una misura ancora in corso e chiarirà se ciò che chiamiamo particella di Higgs è realmente la particella di Higgs predetta dalla teoria. Nel diagramma sotto puoi vedere le predizioni teoriche e i recenti risultati sperimentali di ATLAS e CMS, in particolare le frazioni (asse y) dei più importanti processi di decadimento della particella Higgs. In aggiunta è possibile vedere aree tratteggiate all’interno del diagramma. Queste aree mostrano le masse dell’Higgs che, prima della sua scoperta, erano state escluse a LHC dopo le analisi di ATLAS e CMS (al 95% di livello di confidenza), o che erano state escluse da un predecessore di LHC, l’acceleratore LEP, 10 anni fa. L’influenza della massa dell’Higgs (asse x) su queste frazioni è ben chiara.



Presta attenzione alla linea tratteggiata blu (in corrispondenza alla dicitura WW). Poiché la ricerca della particella di Higgs, attraverso la ricerca di un eccesso di eventi con coppie di quark bottom e anti-bottom (a causa del fondo significativo), è difficile, la linea ci dice che: il decadimento della particella di Higgs in due particelle W è il modo di decadimento più probabile nell’intero, e ancora permesso, intervallo di massa. Questi W hanno carica elettrica opposta poiché la particella di Higgs è elettricamente neutra.

Nasce un problema: se una particella di Higgs decade in due W, sembrerà che sia la produzione di due W con carica elettrica opposta. Questo processo di produzione è permesso nel modello standard e non ha niente a che fare con la produzione di Higgs (vedi il grafico di Feynman sotto a destra). Per di più: l’ultimo processo (produzione di due W senza partecipazione dell’Higgs) è di gran lunga più frequente (da 4 a 10 volte a secondo della massa). Ma come puoi allora distinguere fra questi due processi? E' possibile con l’aiuto di quantità fisiche aggiuntive. Imparando come usarle, ti aiuterà a distinguere fra questi processi. I fisici delle particelle chiamano questo procedimento: incrementare il rapporto del segnale sul fondo.

Nella ricerca dell’Higgs vogliamo perfino specificare quali modi di decadimento dei WW considerare. Entrambe le particelle W decadono indipendentemente le une dalle altre seguendo le leggi del Modello Standard. Una singola particella W può decadere in una coppia di quark o anti-quark oppure in una coppia leptone o anti-leptone. Vogliamo guardare quest’ultimo modo di decadimento, dove entrambe le particelle W decadranno in una coppia di leptone e anti-leptone, escludendo i tau per via della loro complicata identificazione. I fisici chiamano brevemente questo modo di decadimento H→WW→lνlν o WW→lνlν, dove l sta per elettrone, muone, positrone, anti-muone e ν per neutrino.

Per incrementare il rapporto segnale su fondo nel modo di decadimento scelto, ci concentreremo sull’angolo fra i due leptoni rivelabili nel piano perpendicolare alla direzione del tubo a vuoto. Questo angolo è chiamato angolo di apertura. Tenendo in considerazione le relazioni tra gli spin delle particelle prodotte, ci aspettiamo di trovare eventi di Higgs principalmente ad angoli minori di 90 gradi, mentre, gli eventi WW del Modello Standard appaiono nell’intero intervallo di angoli preferendo angoli maggiori di 90 gradi. Inserire questa informazione negli istogrammi produrrà una bella visualizzazione per ulteriori analisi.

Qui ci sono due diagrammi di Feynman che mostrano la produzione e il decadimento della particella di Higgs e un evento di fondo (in questo caso: la produzione di una coppia di quark pesanti top).

Ora che sai conoscere come trovare gli eventi WW, puoi procedere alla misura!

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