Vista del Experimento ATLAS en el CERN en 2019. Crédito:A. Dunam / CERN
En la Conferencia de la Sociedad Europea de Física sobre Física de Altas Energías (EPS-HEP) en Gante, Bélgica, ATLAS Collaboration en el CERN publicó nuevas mediciones de las propiedades del bosón de Higgs utilizando el conjunto de datos completo del LHC Run 2. Críticamente, los nuevos resultados examinan dos de las desintegraciones del bosón de Higgs que llevaron al descubrimiento de la partícula en 2012:H → ZZ * → 4ℓ, donde el bosón de Higgs se descompone en dos bosones Z, descomponiéndose a su vez en cuatro leptones (electrones o muones); y H → γγ donde el bosón de Higgs se desintegra directamente en dos fotones.
Aunque es raro, estos canales se identifican fácilmente y se miden bien en el detector ATLAS, permitiendo a los físicos estudiar las propiedades del bosón de Higgs con gran precisión. En particular, proporcionan nuevas medidas del impulso transversal del bosón de Higgs, que se puede utilizar para probar diferentes mecanismos de producción de Higgs y posibles desviaciones de las interacciones del Modelo Estándar.
En busca del oro:nueva visión del canal de los cuatro leptones
La desintegración H → ZZ * → 4ℓ es el llamado "canal dorado" del bosón de Higgs, ya que tiene la firma más clara y limpia de todos los posibles modos de desintegración del bosón de Higgs. Gracias a la mayor luminosidad de Run 2, ATLAS registró alrededor de 300 eventos candidatos al "canal dorado" entre 2015 y 2018, de los cuales se espera que un tercio se deba a procesos en segundo plano de ZZ. El espectro de masas invariante para eventos de cuatro leptones seleccionados para los datos completos de la Serie 2 se puede ver en la Figura 1.
Además del mayor número de eventos recopilados, Los físicos de ATLAS mejoraron su análisis. Si bien la tasa de fondo ZZ se estimó previamente con simulaciones, asociado con una incertidumbre teórica, el nuevo resultado de ATLAS utiliza datos para evaluar directamente la contribución de fondo. Manteniendo la incertidumbre total en el fondo casi igual, esto ha reducido significativamente la incertidumbre teórica y la dependencia del modelo de la medición.
Figura 1:Distribución de la masa invariante de los cuatro leptones seleccionados en la medición ATLAS de H → ZZ * → 4ℓ utilizando el conjunto de datos completo de la Ejecución 2. El bosón de Higgs corresponde al exceso de eventos (azul) sobre el fondo ZZ * no resonante (rojo) a 125 GeV. También se puede observar una descomposición rara del bosón Z en cuatro leptones a aproximadamente 91 GeV. Crédito:Colaboración ATLAS / CERN
El equipo de ATLAS también introdujo las redes neuronales de aprendizaje profundo para distinguir cuál de los eventos del bosón de Higgs provenía de qué mecanismos de producción. Esta técnica permite al equipo de ATLAS mejorar su identificación de si un bosón de Higgs se ha producido mediante la fusión común de un par de gluones (ggF, que representa el 87% de las desintegraciones del bosón de Higgs). o de la fusión más rara de dos bosones del vector W o Z (VBF:7% de las desintegraciones) o la radiación de un bosón W o Z (VH:4%). Una vez identificado con éxito, los físicos de ATLAS podrían entonces medir la sección transversal de producción de cada uno.
Los modos de producción de VBF y VH se pueden distinguir bastante bien por la separación y masa de "chorros" de partículas que producen. Para VBF, los bosones vectoriales son irradiados por dos quarks, que forman chorros de energía en el detector a lo largo de la dirección del haz y en hemisferios opuestos. Mientras tanto, el modo de producción VH también produce dos chorros, con la masa del bosón W (80 GeV) o Z (91 GeV).
Figura 2:Las secciones transversales de producción de Higgs multiplicadas por la fracción de ramificación de Higgs en un par de bosones Z, σ • B, medido en el canal de desintegración de cuatro leptones. Estos están normalizados por los valores esperados del modelo estándar. La línea vertical en uno es la expectativa del modelo estándar con la banda gris correspondiente a las incertidumbres teóricas sobre esta expectativa. Los puntos de datos medidos concuerdan bien dentro de sus incertidumbres con el modelo estándar. Crédito:Colaboración ATLAS / CERN
Sin embargo, los gluones en la producción de ggF también pueden irradiar chorros adicionales, imitando así los pares de chorros VBF y VH. Aquí es donde entran en juego las redes neuronales de aprendizaje profundo. Han demostrado ser lo suficientemente flexibles como para separar simultáneamente ggF, VBF y VH con menos superposición que las técnicas de aprendizaje automático anteriores. Las secciones transversales de producción de Higgs medidas en el canal de cuatro leptones se pueden ver en la Figura 2, donde hay una mejora del 20% en la medición de la sección transversal de VBF gracias a la técnica Neural Network.
Dos luces para ver el Higgs:estudiando el canal de dos fotones
Los físicos de ATLAS también incorporaron técnicas de análisis nuevas y mejoradas en su estudio de la desintegración del bosón de Higgs en un par de fotones (H → γγ). En particular, la identificación mejorada de fotones y la calibración de la energía del chorro condujeron a una reducción de las incertidumbres sistemáticas asociadas. Los criterios de forma de la ducha electromagnética utilizados para identificar fotones y suprimir los fotones candidatos no deseados de las desintegraciones de hadrones ahora se han optimizado en subrangos del momento transversal del fotón. ya que las lluvias generadas en el detector dependen de la energía de los fotones. Esto condujo a mejoras en la sensibilidad de un pequeño porcentaje.
Figura 3:Distribución de la masa invariante de los dos fotones elegidos en la medición ATLAS de H → γγ utilizando el conjunto de datos completo de la Ejecución 2. El bosón de Higgs corresponde al exceso de eventos observados a 125 GeV con respecto al fondo no resonante (línea discontinua). Crédito:Colaboración ATLAS / CERN
Los físicos midieron varias secciones transversales diferenciales para observables sensibles a la producción y desintegración del bosón de Higgs, incluyendo distribuciones cinemáticas de los chorros producidos en asociación con el bosón de Higgs. Se espera que las interacciones más allá del modelo estándar entre el bosón de Higgs y los bosones gauge modifiquen estas variables, proporcionando una prueba excelente para la nueva física. Las mediciones de sección transversal inclusiva y diferencial, determinados a partir de los rendimientos de eventos en el pico de la señal en la distribución de masa invariante de difotón (ver Figura 3) se encontró que estaban en buen acuerdo con las predicciones del Modelo Estándar. Los físicos de ATLAS utilizaron estas medidas para restringir la fuerza de interacciones hipotéticas más allá del Modelo Estándar del bosón de Higgs con los bosones gauge.
Es más, Los físicos de ATLAS pudieron examinar la interacción entre el bosón de Higgs y el quark encanto. El bosón de Higgs aún no se ha visto decayendo a quarks encantadores, que se predice en el modelo estándar para tener una tasa veinte veces menor que las desintegraciones a los quarks inferiores, observado por primera vez por ATLAS y CMS en 2018. Sin embargo, si la fuerza (o "acoplamiento") de la interacción de Higgs con el quark encanto fuera mucho mayor de lo esperado debido a algún nuevo proceso de física, esto afectaría la distribución de la cantidad de movimiento medida del bosón de Higgs. Los físicos buscaron la firma de este efecto:un exceso de los datos en comparación con la expectativa de la teoría en la región de impulso del bosón de Higgs bajo (ver Figura 4). Tal exceso no se observó en los datos.
Figura 4:Sección transversal diferencial para el momento transversal (pT, H) del bosón de Higgs de los dos canales individuales (H → ZZ * → 4ℓ, H → γγ) y su combinación. Crédito:Colaboración ATLAS / CERN
Conocimiento combinado
Se midió que la sección transversal de producción total del bosón de Higgs era 56,7 ± 6,3 pb con el canal de desintegración H → γγ, y 54,4 ± 5,6 pb con el canal H → ZZ * → 4ℓ. Combinando los dos canales, la sección transversal total es de 55,4 ± 4,3 pb, de acuerdo con la predicción del Modelo Estándar de 55,6 ± 2,5 pb. La sección transversal diferencial para el momento transversal del bosón de Higgs en ambos canales también concuerda, como se ve en la Figura 4, y su combinación encaja con las predicciones del Modelo Estándar.
Gracias al excelente rendimiento del LHC y del detector ATLAS durante la Ejecución 2, Los estudios de ATLAS del bosón de Higgs van más allá del descubrimiento, en una nueva era de mediciones de precisión que amplían nuestra comprensión de esta partícula. ¡El viaje acaba de comenzar!
