Físicos encontram evidências de raro decaimento do bóson de Higgs

Desde a descoberta do bóson de Higgs em 2012, os cientistas das colaborações ATLAS e CMS no Large Hadron Collider (LHC) têm trabalhado na caracterização de suas propriedades e na procura de diferentes maneiras de decompor essa partícula misteriosa. Do abundante, mas experimentalmente complexo decaimento em quarks b ao raro decaimento em quatro léptons, cada um oferece diferentes maneiras de estudar as propriedades dessa nova partícula.

Agora o ATLAS descobriu a primeira evidência do decaimento do bóson de Higgs em dois léptons (um elétron ou um par de múon com carga oposta) e um fóton. Conhecido como “Decaimento Dalitz”, é um dos mais raros decaimentos do bóson de Higgs já observados no LHC.

Para esta análise, os físicos do ATLAS têm como alvo o decaimento do bóson de Higgs mediado por um fóton virtual. Ao contrário do fóton sem massa estável usual, essa partícula virtual geralmente tem uma massa muito pequena (mas diferente de zero) e decai instantaneamente em dois léptons.

Os físicos do ATLAS examinaram o conjunto de dados completo do LHC Run 2 para eventos de colisão com um fóton, bem como dois leptons com uma massa total de menos de 30 GeV. Nessa região, decaimentos com fótons virtuais devem dominar outros processos que levam ao mesmo estado final.

O ATLAS mediu a velocidade do sinal do bóson de Higgs neste canal de decaimento, que é 1,5 ± 0,5 vezes maior do que a expectativa do modelo padrão. A probabilidade de o sinal observado ter sido causado pela flutuação de fundo é de 3,2 sigma - menos de 1 em 1000.

Com a vasta quantidade de dados esperados do próximo programa do LHC de alta luminosidade, o estudo dos raros decaimentos do bóson de Higgs se tornará a nova norma. Isso permitirá que os físicos deixem de apresentar evidências de sua existência para confirmar suas observações e conduzir estudos detalhados das propriedades do bóson de Higgs, o que levará a testes ainda mais rigorosos do Modelo Padrão.

Observar a decadência do bóson de Higgs em um par de fótons e leptões permitirá aos físicos estudar a simetria da paridade de carga (CP). A simetria CP é uma maneira de dizer que uma imagem espelhada de partículas interagindo, onde as partículas são substituídas por suas antipartículas, deve ser exatamente como a interação original.

Essa era uma suposição natural até 1964, quando os físicos que estudavam as partículas de kaon, para sua grande surpresa, perceberam que esse não era o caso no mundo da física de partículas. Desde então, os físicos aprenderam que a violação do CP é um sinal de interação eletrofraca e o incluíram no modelo padrão.

Mas com o decaimento do bóson de Higgs em três partículas, duas das quais carregadas, os físicos serão capazes de investigar se os decaimentos estão em uma direção preferida, o que permitirá aos pesquisadores melhorar sua compreensão das razões para a violação da simetria do CP e pode até levar a indícios de uma nova física além do Modelo Padrão. ...