Search for the rare Higgs boson decay H $\to$ Z$\gamma$ in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 and 13.6 TeV

Nell'immensa, invisibile architettura dell'universo, esiste un campo fondamentale che conferisce massa alle particelle che compongono tutto ciò che vediamo. Senza questo campo, i mattoni della materia si muoverebbero alla velocità della luce, incapaci di aggregarsi per formare atomi, stelle o persone. La particella associata a questo campo è il bosone di Higgs, una scoperta fatta nel 2012 che ha confermato una teoria vecchia di decenni su come funziona l'universo. Da quella scoperta, i fisici si sono dedicati a misurare le proprietà di questa particella con estrema precisione, verificando se si comporta esattamente come prevede il modello standard della fisica o se mostra piccole crepe che potrebbero portare a nuove, sconosciute leggi della natura. Uno dei modi più difficili per testare questo è osservare il decadimento del bosone di Higgs, ovvero la sua scomposizione in altre particelle. Sebbene solitamente si scomponga in particelle comuni, è anche previsto che occasionalmente si trasformi in un bosone Z e un fotone di luce. Questa specifica trasformazione è estremamente rara, accade solo circa una volta ogni mille decadimenti, rendendo la ricerca un "ago nel pagliaio" che richiede enormi quantità di dati e strumenti sofisticati per essere portata a termine.

Un ricercatore che lavora con l'esperimento CMS presso il Large Hadron Collider in Svizzera ha appena completato una ricerca massiccia di questo evento raro. Ha analizzato un dataset colossale di collisioni tra protoni, le minuscole particelle che compongono i nuclei atomici, che sono stati fatti scontrare a energie di 13 e 13,6 trilioni di elettronvolt. Questi dati, raccolti in diversi anni, rappresentano un totale di 200 femtobarn inversi di luminosità, una misura di quanti collisioni sono avvenute. Per trovare il bosone di Higgs che decade in un bosone Z e un fotone, lo scienziato ha cercato una firma molto specifica: una coppia di particelle cariche (elettroni o muoni) provenienti dal bosone Z, accompagnata da un singolo fotone ad alta energia. Poiché il bosone Z è instabile, si scompone immediatamente in queste due particelle cariche, lasciando una traccia chiara nel rilevatore. La sfida era che il rumore di fondo proveniente da altre comuni interazioni di particelle è enorme, creando milioni di eventi che sembrano quasi identici al segnale che lo scienziato stava cacciando.

Per separare il segnale dal rumore, il ricercatore non si è affidato a un singolo metodo, ma ha costruito una strategia complessa e multistrato. Ha prima classificato gli eventi di collisione in diverse categorie basate su come il bosone di Higgs sia stato probabilmente creato. Alcuni eventi derivavano dalla collisione di due gluoni, le particelle che tengono insieme i nuclei atomici, mentre altri derivavano dalla fusione di particelle che trasportano forza o dall'associazione con altre particelle pesanti come i quark top. Per il tipo di creazione più comune, ha utilizzato algoritmi informatici avanzati, noti come alberi decisionali potenziati (boosted decision trees), per apprendere le sottili differenze tra un vero segnale e un evento di fondo. Questi algoritmi hanno analizzato decine di caratteristiche, come gli angoli con cui le particelle si sono allontanate e l'energia che trasportavano, per assegnare un punteggio che indicasse quanto fosse probabile che un evento fosse il raro decadimento ricercato. Ha anche applicato una speciale tecnica matematica per raffinare la misurazione delle energie delle particelle, rendendo di fatto l'immagine dei dati più nitida per far risaltare il segnale contro il rumore di fondo.

Dopo aver applicato tutti questi filtri e aver suddiviso i milioni di eventi in tredici categorie distinte, il ricercatore ha eseguito un'analisi statistica simultanea per cercare un piccolo eccesso di eventi alla massa specifica del bosone di Higgs, che è di circa 125,38 gigaelettronvolt. Il risultato è stato una misurazione della forza del segnale, che confronta quanto spesso l'evento è stato osservato rispetto a quanto previsto dal modello standard. Ha trovato una forza del segnale di 1,10, il che significa che ha osservato leggermente più eventi di quelli previsti, ma la differenza era abbastanza piccola da essere coerente con fluttuazioni statistiche casuali. La significatività statistica di questa osservazione è di 1,9 deviazioni standard, una misura di quanto sia improbabile che il risultato sia solo un caso fortorio. Nel mondo della fisica delle particelle, una scoperta richiede una significatività di cinque deviazioni standard; pertanto, questo risultato non è ancora una scoperta confermata, ma è un passo avanti significativo. Il ricercatore ha anche calcolato ciò che si aspettava di vedere in base alle sue simulazioni, che era una significatività di 2,3 deviazioni standard, mostrando che i suoi risultati effettivi erano molto vicini alle sue aspettative.

Lo studio conferma che il bosone di Higgs si comporta ampiamente come previsto dal modello standard, anche in questo canale di decadimento raro e difficile da osservare. Sebbene i dati abbiano mostrato una leggera fluttuazione verso l'alto, questa non era sufficientemente grande da permettere di affermare che sia stata trovata nuova fisica o che il modello standard sia errato. Il ricercatore ha tenuto conto con cura di ogni possibile fonte di errore, dalla calibrazione dei suoi rilevatori ai calcoli teorici di quanto spesso questi eventi dovrebbero verificarsi. Ha scoperto che le incertezze nelle sue misurazioni erano dominate dalla quantità limitata di dati disponibili, piuttosto che da difetti nei suoi strumenti o metodi. Questo lavoro rappresenta un miglioramento significativo rispetto alle ricerche precedenti, aumentando la sensibilità attesa di circa il cinquanta per cento attraverso migliori strategie di trigger, una categorizzazione degli eventi più raffinata e tecniche di apprendimento automatico migliorate. Spingendo i confini di ciò che può essere misurato, il ricercatore ha ristretto la finestra per la potenziale nuova fisica, anche se non ne ha ancora aperto la porta.

Le implicazioni di questa ricerca vanno oltre il semplice conteggio degli eventi. Poiché il decadimento del bosone di Higgs in un bosone Z e un fotone avviene attraverso un loop di particelle virtuali, esso è sensibile a qualsiasi nuova particella pesante che potrebbe esistere ma che è troppo massiccia per essere prodotta direttamente. Se tali particelle esistessero, altererebbero il tasso di questo decadimento. Il fatto che il tasso osservato corrisponda così da vicino alla previsione del modello standard suggerisce che non ci siano grandi contributi nascosti da particelle sconosciute che influenzano questo processo. Tuttavia, la misurazione è ancora limitata dalla statistica, il che significa che con più dati, la precisione migliorerà e la capacità di individuare piccole deviazioni aumenterà. Il ricercatore ha messo i suoi dati e i suoi strumenti di analisi a disposizione della comunità scientifica più ampia, assicurando che questo risultato possa essere combinato con altre misurazioni per costruire un quadro ancora più chiaro del bosone di Higgs.

In definitiva, questo articolo è una testimonianza della potenza della pazienza e della precisione nella scienza moderna. Il ricercatore non ha trovato una nuova particella drammatica o una improvvisa rivoluzione nella fisica, ma è riuscito con successo a mappare un angolo molto difficile del mondo subatomico con maggiore chiarezza rispetto al passato. Ha dimostrato che il bosone di Higgs, anche nei suoi modi di decadimento più elusivi, continua a seguire le regole stabilite dal modello standard. La ricerca continua e, con il Large Hadron Collider ancora in funzione e impegnato nella raccolta di dati, la prossima generazione di misurazioni porterà probabilmente questi limiti ancora oltre, trasformando questi piccoli indizi di significatività in risposte definitive sulla natura fondamentale della realtà.