Na pesquisa de novas partículas, o bosão de Higgs é um dos candidatos mais famosos. Poderia ajudar a verificar a teoria lançada nos anos 60 do século XX, que descreve um mecanismo para dar massa a todas as partículas do modelo padrão. No modelo matemático na base do modelo padrão as partículas não têm massa, pois a introdução de massas nesse modelo matemático levaria a contas disparatadas e resultados infinitos. Peter Higgs e outros propuseram um mecanismo que permite introduzir massas nas partículas descritas por esse modelo matemático, que permite obter cálculos e resultados com sentido, mas que implica a existência de um campo de Higgs preenchendo o espaço. As massas das partículas seriam assim entendidas como uma maior ou menor dificuldade para as partículas atravessarem este campo de Higgs, devido à maior ou menor interacção com o campo. O bosão de Higgs é a partícula associada a este campo de Higgs, que deve ter uma massa elevada (porque ainda não foi encontrada nas experiências anteriores), e um tempo de vida muitíssimo reduzido. Imediatamente a seguir a ser produzido, o bosão de Higgs decai em uma de várias formas dependendo da sua massa (que não sabemos ainda qual será), e dependendo da massa das partículas para as quais decai. Na figura em anexo baseada em cálculos teóricos e contendo resultados experimentais recentes de ATLAS e CMS, são mostradas as fracções dos processos mais importantes no decaimento do hipotético Bosão de Higgs (eixo dos YY), em função da sua massa (eixo dos XX). As áreas com linhas indicam áreas em que os valores de massa já foram excluídos ¬pelos resultados recentes de ALTAS e CMS em LHC ou por experiências anteriores (com 95% de nível de confiança). A influência da massa do Bosão de Higgs nestas fracções também se torna claro nesta figura.



Repare na linha azul a tracejado com a etiqueta WW. Como é muito difícil demonstrar a existência do Bosão de Higgs a partir do seu decaimento em pares de quarks bottom-anti-bottom (devido ao fundo muito elevado), esta linha diz-nos que o decaimento do Bosão de Higgs em pares de Bosões W é o decaimento mais provável nas regiões ainda permitidas de valores de massa. Estes Bosões W têm cargas elétricas opostas pois o Bosão de Higgs não tem carga elétrica.

Eis o problema: Se um Bosão de Higgs decair em 2 Bosões W, o acontecimento irá parecer-se com a produção normal de um par de Bosões W (de cargas elétricas opostas). Este processo é possível no âmbito do Modelo Padrão das partículas e interações fundamentais, e não tem nada a ver com a produção do Bosão de Higgs (conforme o diagrama de Feynman em baixo à direita). E é ainda pior: o processo de produção de pares de Bosões W (sem intervenção do Bosão de Higgs) é muito mais frequente (de 4 a 10 vezes dependendo da massa do Bosão de Higgs). Mas como se pode distinguir entre estes dois processos? Olhando apenas para as imagens dos acontecimentos não é possível distingui-los. Mas com a ajuda de outras quantidades físicas (que terá que aprender para saber trabalhar com elas) é mais fácil distinguir esses processos. Os Físicos de Partículas chamam a este procedimento: aumento da razão sinal/ruído.

Nós até queremos especializarmo-nos na pesquisa do Bosão de Higgs no modo de decaimento WW (em dois bosões W). Ambos os Bosões W decaiem de forma independente de acordo com as regras do Modelo Padrão. Um Bosão W pode decair num par quark e antiquark ou leptão e antileptão (se em leptão e antileptão, o leptão será um neutrino ou o antileptão será um antineutrino). Queremos observar este modo particular, em que ambos os Bosões W decaiem em pares leptão e antileptão, excluindo leptões tau devido às dificuldades de identificação do leptão tau. Os Físicos chamam a este modo H→WW→lνlν ou WW→lνlν, em que l representa um electrão, muão, positrão ou anti-muão (e ? representa um neutrino ou antineutrino).

Para aumentar a razão sinal/ruído no modo de decaimento escolhido iremos concentrarmo-nos no ângulo entre os 2 leptões carregados (detectáveis) no plano transverso à linha de feixe. Este ângulo é chamado de ângulo de abertura. Devido às relações entre spins das partículas produzidas, espera-se que os acontecimentos com Bosões de Higgs sejam mais frequentemente associados a ângulos inferiores a 90º, enquanto que os acontecimentos com pares de Bosões W não provenientes de Bosões de Higgs não têm nenhuma razão para ter algum valor particular de ângulo, e por isso irão preencher os valores possíveis. Isto pode ser bem observado em histogramas.

Aqui estão mais 2 diagramas de Feynman mostrando a produção e decaimento de um Bosão de Higgs e um acontecimento de fundo (neste caso é a produção de um par de quarks top-antitop).

E agora pode encontrar esta partícula! Vamos para a medida!

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