Il 4 luglio 2012, due degli esperimenti del Large Hadron Collider (LHC) del CERN, ATLAS e CMS, hanno riportato in modo indipendente la scoperta del bosone di Higgs. L'annuncio aveva creato titoli in tutto il mondo: la scoperta ha confermato l'esistenza dell'ultima particella elementare mancante del Modello Standard, mezzo secolo dopo che il bosone di Higgs era stato previsto teoricamente. Allo stesso tempo la scoperta ha segnato anche l'inizio di un programma sperimentale volto a determinare le proprietà della particella appena scoperta. La collaborazione CMS ha annunciato oggi, con un seminario al CERN, un'altra pietra miliare in quel programma, dopo una recente pubblicazione che ha descritto la  prima osservazione dell'accoppiamento diretto del bosone di Higgs con la particella più pesante del Modello Standard, il quark top.

Nel Modello Standard, il bosone di Higgs può accoppiarsi ai fermioni, con una forza di accoppiamento proporzionale alla massa del fermione stesso. Il fermione più pesante che è allo stesso tempo più leggero della metà della massa del bosone di Higgs è il quark bottom, il che significa che il bosone di Higgs può decadere direttamente in una coppia di quark bottom e anti-bottom. Il tasso di tali decadimenti è correlato alla forza di accoppiamento al quadrato, ed è questo decadimento che ora è stato osservato dalla collaborazione CMS, così come dall'esperimento ATLAS che ha oggi presentato un risultato analogo.

Sebbene il decadimento diretto nel quark bottom è in realtà il più frequente tra tutti i possibili decadimenti del bosone di Higgs, la sua osservazione è stata una vera sfida sperimentale. Questo perché esiste un numero estremamente elevato di altri processi del Modello Standard (chiamati "fondo") che possono imitare il segnale sperimentale dato da un quark bottom e un anti-quark bottom. Pertanto, è stato necessario concentrarsi su particolari eventi in cui un bosone di Higgs è prodotto in associazione con un bosone vettore (una particella W o Z, si veda la figura), producendo una significativa riduzione del fondo. Poiché questo processo è abbastanza raro, è stato necessario setacciare un gran numero di collisioni per trovare il segnale cercato. Fortunatamente, le ottime prestazione di LHC nel 2016 e 2017 hanno reso possibile tutto questo.

"È stata l'ingegnosità degli scienziati della collaborazione CMS nell'implementare moderni e sofisticati strumenti di analisi, tra cui tecniche di "machine learning", e nel combinare diversi processi sensibili alla produzione DEL bosone di Higgs, così come le eccezionali prestazioni del rivelatore e l'enorme insieme di dati disponibili, che hanno reso possibile raggiungere questo traguardo prima del previsto", ha affermato il portavoce di CMS, Joel Butler.

Alcuni ricercatori del Dipartimento di Fisica dell'Università degli Studi di Trieste, insieme a colleghi della Sezione di Trieste dell'Istituto Nazionale di Fisica Nucleare, dottorandi e post-doc, da molti anni sono impegnati in vari settori dell’esperimento CMS, avendo contribuito alla messa a punto del calorimetro elettromagnetico e allo sviluppo e alla gestione del software e dei sistemi di calcolo della collaborazione, oltre che a studi di precisione di processi descritti dal Modello Standard.

I ricercatori triestini hanno contribuito in particolare a due aspetti cruciali in questa misura: l'ottimizzazione delle prestazioni del calorimetro elettromagnetico, fondamentale per la rivelazione dei prodotti di decadimento delle particelle W e Z, e la misura della produzione associata di bosoni vettori e quark bottom, uno dei fondi principali in questa analisi.

Con questa osservazione dell'accoppiamento del quark bottom con il bosone di Higgs, insieme alle precedenti misure dell'accoppiamento di quest'ultimo con il quark top e con il leptone tau, ovvero tutti e tre i fermioni più pesanti conosciuti, il programma di fisica di CMS volto a caratterizzare e comprendere più pienamente il bosone di Higgs ha fatto un altro passo importante. Sebbene la forza degli accoppiamenti misurati sia coerente con le previsioni del Modello Standard, la precisione delle misurazioni lascia ancora spazio ad ulteriori contributi dovuti a processi di nuova fisica. Nei prossimi anni verranno raccolti molti più dati e la precisione delle misure sarà migliorata al fine di verificare se il bosone di Higgs possa essere in grado di rivelare la presenza di fisica oltre il Modello Standard.

In figura: Evento candidato per la produzione associata di un bosone di Higgs e un bosone Z, con il successivo decadimento del bosone di Higgs in un quark bottom e nella sua antiparticella.

Link:
http://cms.cern/higgs-observed-decaying-b-quarks-submitted
http://cmsweb.ts.infn.it

prof. Giuseppe Della Ricca
dott. Vieri Candelise
Dipartimento di Fisica, Università degli Studi di Trieste e INFN Sezione di Trieste