Desde a descoberta do bóson de Higgs em 2012, os físicos fizeram progressos consideráveis na exploração de suas propriedades. Isso significa que o assunto está encerrado? Longe disso!
Em novos resultados apresentados na Conferência da Sociedade Europeia de Física sobre Física de Altas Energias (EPS-HEP) em Marselha este ano, a colaboração ATLAS concentrou-se em um decaimento excepcionalmente raro do bóson de Higgs, usando os dados coletados durante a fase 3 (Run-3) do Grande Colisor de Hádrons (LHC). Este estudo oferece perspectivas aprofundadas sobre como o comportamento do bóson de Higgs se alinha com as previsões do modelo padrão.
O detector ATLAS no Grande Colisor de Hádrons (LHC).
Crédito: CERN
A equipe ATLAS do Irfu possui uma longa experiência na busca pelo bóson de Higgs e deu uma contribuição significativa para a descoberta do bóson de Higgs e posteriormente para a medição de suas propriedades. A equipe está fortemente envolvida nesta análise de decaimento do bóson de Higgs em dois múons, graças à sua contribuição majoritária e ao seu papel preponderante na reconstrução e identificação dos múons, na garantia da qualidade dos dados coletados no Run-3 e nos guias de utilização para a análise física.
Esta contribuição permitiu explorar os dados do Run-3 (período de três anos 2022-2024) e, combinando com os dados do Run-2 (período 2015-2018), levou à evidência deste decaimento raro.
O processo estudado é o decaimento do bóson de Higgs em um par de múons (H→μμ). Apesar de sua raridade - ocorre apenas em um decaimento de Higgs a cada 5000 - este processo oferece a melhor oportunidade de estudar a interação de Higgs com os férmions de segunda geração e de esclarecer a origem da massa através das diferentes gerações.
Procurar agulhas em um palheiro
A identificação deste decaimento raro é um verdadeiro desafio. Para H→μμ, os pesquisadores procuraram um pequeno excesso de eventos agrupando-se próximo a uma massa de pares de múons de 125 GeV (a massa do bóson de Higgs). Este sinal pode ser facilmente escondido atrás dos milhares de pares de múons produzidos por outros processos ("ruído de fundo").
Para aumentar a sensibilidade de suas buscas, os físicos do ATLAS combinaram os três primeiros anos de dados do Run-3 (165 fb
-1, coletados entre 2022 e 2024) com todo o conjunto de dados do Run-2 (140 fb
-1, de 2015 a 2018). Eles também desenvolveram um método sofisticado para modelar melhor os processos de fundo, classificar os eventos registrados de acordo com os modos de produção específicos do bóson de Higgs e melhorar suas técnicas de seleção de eventos para maximizar a probabilidade de detectar os sinais autênticos.
A figura abaixo mostra a distribuição de massa dos pares de múons obtida a partir dos dados coletados entre 2022 e 2024 e combinada para todas as categorias.
Espectro de massa invariante de dois múons de cargas opostas observado nos dados do Run-3, para todas as categorias de análise combinadas. As funções de densidade de probabilidade (pdf) do ruído de fundo e do sinal são obtidas a partir do ajuste combinado de todas as categorias aos dados do Run-3, correspondendo a uma intensidade de sinal de μ = 1,6 ±0,6. O painel inferior mostra a pdf do sinal ajustada, normalizada ao valor de melhor ajuste do sinal, e a diferença entre os dados observados e o modelo de fundo. As barras de erro representam as incertezas estatísticas dos dados.
Imagem: ATLAS Collaboration/CERN Evidência
Na busca anterior por H→μμ usando o conjunto completo de dados do Run-2, a colaboração ATLAS viu seu primeiro indício deste processo ao nível de 2 desvios-padrão (ou seja, a hipótese de que o resultado observado seja devido apenas a uma flutuação do ruído de fundo e não à presença do sinal H→μμ é rejeitada a dois desvios padrão, o que corresponde a uma chance em aproximadamente 22). O resultado comparável do CMS alcançou uma significância observada (esperada) de 3 (2,5) desvios-padrão.
Hoje, com os conjuntos de dados combinados Run-2 e Run-3, a colaboração ATLAS evidenciou o processo H→μμ com uma significância observada (esperada) em relação à hipótese de apenas fundo de 3,4 (2,5) desvios-padrão. Isso significa que a probabilidade de o resultado ser uma flutuação estatística é inferior a uma chance em 1500!
Estes resultados foram possíveis graças ao excelente e vasto conjunto de dados fornecido pelo LHC, à eficiência e ao desempenho excepcionais do experimento ATLAS e ao uso de novas técnicas de análise. Com mais dados no horizonte, a jornada de exploração continua!
Fonte: CEA IRFU