O bóson de Higgs, a partícula subatômica fundamental associada ao campo de Higgs, foi descoberto pela primeira vez em 2012 como parte dos experimentos ATLAS e CMS, ambos analisando dados coletados no Large Hadron Collider (LHC) do CERN, o mais poderoso acelerador de partículas existente . Desde a descoberta do bóson de Higgs, equipes de pesquisa em todo o mundo têm tentado entender melhor as propriedades e características dessa partícula única.

A Colaboração CMS, o grande grupo de pesquisadores envolvidos no experimento CMS, obteve recentemente uma medição atualizada da largura do bóson de Higgs, além de reunir as primeiras evidências de suas contribuições fora da casca para a produção de pares de bósons Z. Suas descobertas, publicadas na Nature Physics , são consistentes com as previsões do modelo padrão .

"A descrição teórica quântica das partículas fundamentais é de natureza probabilística e, se você considerar todos os diferentes estados de uma coleção de partículas, suas probabilidades devem sempre somar 1, independentemente de você olhar para esta coleção agora ou algum tempo depois", Ulascan Sarica, pesquisador da CMS Collaboration, disse. "Quando analisada matematicamente, esta afirmação simples impõe restrições, os chamados limites unitários, sobre as probabilidades de interações de partículas em altas energias."

Desde a década de 1970, os físicos previram que, quando os pares de bósons vetoriais pesados ??Z ou W são produzidos, as restrições típicas em altas energias seriam violadas, a menos que um bóson de Higgs estivesse contribuindo para a produção desses pares. Nos últimos dez anos, cálculos de física teórica mostraram que a ocorrência dessas contribuições do bóson de Higgs em altas energias deveria ser mensurável usando os dados existentes coletados pelo LHC.

"Outras investigações mostraram que a largura total de decaimento do bóson de Higgs, que é inversamente proporcional ao seu tempo de vida e prevista no modelo padrão como notavelmente muito pequena (4,1 mega-volts de elétrons em largura, ou 1,6 × 10 -22 segundos em tempo de vida) pode ser determinado usando esses eventos de alta energia com precisão pelo menos cem vezes melhor do que outras técnicas limitadas pela resolução do detector (1000 mega-elétron-volts em medições de largura total e 1,9 × 10 -13 segundos em medições de tempo de vida)" Sarica explicou.

“Por essas razões, nosso artigo tinha dois objetivos: procurar a presença de contribuições do bóson de Higgs para a produção de dibóson pesado em altas energias e medir a largura total de decaimento do bóson de Higgs com a maior precisão possível por meio dessas contribuições”.

Como parte de seu estudo recente, a colaboração do CMS analisou alguns dos dados coletados entre 2015 e 2018, como parte da segunda execução de coleta de dados do LHC. Eles se concentraram especificamente em eventos caracterizados pela produção de pares de bósons Z, que subsequentemente decaíram em quatro léptons carregados (isto é, elétrons ou múons) ou dois léptons carregados e dois neutrinos.

Análises experimentais anteriores sugerem que esses dois padrões únicos são os mais sensíveis à produção de pares pesados ??de bósons em altas energias. Ao analisar eventos que correspondiam a esses padrões, portanto, a equipe esperava obter resultados mais claros e confiáveis.

“Observamos a primeira evidência das contribuições do bóson de Higgs na produção de pares de bósons Z em altas energias com uma significância estatística de mais de 3 desvios padrão”, disse Li Yuan, outro membro da colaboração CMS. "O resultado apoia fortemente o mecanismo espontâneo de quebra de simetria eletrofraca, que preserva a unitaridade na produção de dibóson pesado em altas energias."

Além de reunir evidências das contribuições do bóson de Higgs para a produção de ZZ, a colaboração do CMS foi capaz de melhorar significativamente as medições existentes da largura total de decaimento ou tempo de vida do bóson de Higgs. Acreditava-se que a medida que eles coletaram era inatingível 10 anos atrás, dada a largura estreita da partícula (ou seja, 4,1 mega-elétron-volts, de acordo com as previsões do modelo padrão da física de partículas).

"Nosso resultado para esta medição é de 3,2 mega-elétrons-volts com um erro superior de 2,4 mega-elétrons-volts e um erro inferior de 1,7 mega-elétrons-volts", disse Yuan. “Esse resultado é consistente com a expectativa do modelo padrão até agora, mas ainda há espaço para que uma medição futura com precisão ainda maior possa se desviar da previsão”.

O trabalho recente da colaboração do CMS oferece uma nova visão sobre as propriedades do bóson de Higgs, além de destacar sua contribuição para a produção de pares de bósons Z. Em seus próximos estudos, os pesquisadores planejam continuar a exploração dessa fascinante partícula subatômica usando novos dados coletados no LHC e técnicas avançadas de análise.

"Embora nossos resultados tenham atingido uma significância estatística além do limite de 3 desvios padrão, normalmente considerados como evidência na comunidade de física de partículas, mais dados são necessários para atingir o limite de 5 desvios padrão a fim de reivindicar uma descoberta," disse Sarica.

A terceira coleta de dados do LHC começou este ano e deve continuar até o final de 2025. Sarica, Yuan e o restante da colaboração do CMS já iniciaram os preparativos que lhes permitirão medir a largura do bóson de Higgs com ainda maior precisão usando os novos dados coletados como parte desta terceira rodada de coleta de dados.

“Além disso, nossa análise CMS ainda não inclui a análise de eventos de alta energia com quatro léptons carregados dos dados de 2018, e os preparativos estão em andamento para sua inclusão em uma atualização”, acrescentou Sarica.

"Resultados preliminares recentes da Colaboração ATLAS, apresentados em 9 de novembro durante a conferência Higgs 2022, também fornecem uma confirmação independente das evidências que o CMS encontra. duas análises podem ser combinadas para fornecer as melhores medições das contribuições do bóson de Higgs em alta energia e sua largura total."

Informações da revista: Nature Physics