Constraints on the Higgs boson total width from on-shell signal-background interference in the $H\to\gamma\gamma$ decay channel with $pp$ collisions at $\sqrt{s}=13$ TeV with the ATLAS detector

Nel cuore del mondo subatomico, una particella nota come bosone di Higgs svolge un ruolo unico. Scoperto nel 2012, è la manifestazione fisica di un campo che conferisce massa ad altre particelle fondamentali. Mentre gli scienziati hanno trascorso oltre un decennio a misurare come questa particella interagisce con altre, una delle sue proprietà più basilari rimane elusiva: la sua larghezza di decadimento totale. Nel linguaggio della fisica delle particelle, questa larghezza rappresenta la somma di tutti i modi in cui il bosone di Higgs può scomporsi in altre particelle. Secondo il Modello Standard, la teoria prevalente della fisica, il bosone di Higgs dovrebbe decadere in modi molto specifici e prevedibili, risultando in una larghezza totale di appena 4,1 milioni di elettronvolt. Tuttavia, se il bosone di Higgs stesse nascondendo un segreto — forse decadendo in particelle invisibili che i nostri rilevatori non possono vedere — questa larghezza totale sarebbe maggiore. Misurare questa larghezza è quindi un test diretto per verificare se il bosone di Higgs sia un match perfetto per il Modello Standard o una porta verso una nuova, non ancora scoperta fisica.

La sfida nel misurare questa larghezza risiede nel fatto che il bosone di Higgs è incredibilmente breve nella vita. Esiste per un momento così fugace che la sua larghezza naturale è troppo stretta per essere vista direttamente anche dai più potenti rilevatori. È come cercare di misurare lo spessore di un capello guardando una fotografia sfocata di un treno in corsa; la sfocatura della misurazione è migliaia di volte più ampia dell'oggetto stesso. Per anni, i fisici hanno cercato di inferire la larghezza indirettamente, confrontando quanto spesso il bosone di Higgs appare alla sua massa normale rispetto a quanto spesso appare a energie molto più alte e rare. Questo metodo funziona, ma si basa sull'assunto che il bosone di Higgs si comporti esattamente allo stesso modo alle alte energie rispetto a come si comporta alle energie normali. Se tale assunto fosse errato, la misurazione potrebbe essere fuorviante.

Un team di fisici che lavora con il rilevatore ATLAS al Large Hadron Collider ha ora adottato un approccio diverso, uno che non richiede tali assunti. Si sono concentrati su un effetto specifico e sottile che si verifica quando il bosone di Higgs decade in due fotoni. Nel mondo quantistico, le particelle possono comportarsi come onde. Quando il bosone di Higgs viene creato e decade immediatamente in due fotoni, produce un'onda che si sovrappone alle onde di fondo dei fotoni che sono creati da altri processi non legati all'Higgs. Proprio come due onde sonore possono interferire per creare un suono più forte o più debole, queste onde di particelle interferiscono tra loro. Questa interferenza distorce la forma della distribuzione di massa dei due fotoni, spostando il picco del segnale leggermente verso un lato. La dimensione di questo spostamento dipende direttamente dalla larghezza totale del bosone di Higgs. Studiando questa distorsione, i ricercatori possono misurare la larghezza senza dover indovinare come la particella si comporta a diverse energie.

Utilizzando i dati delle collisioni tra protoni registrate tra il 2015 e il 2018, il team ha analizzato oltre 140 femtobarn inversi di eventi di collisione. Questo enorme dataset ha permesso loro di esaminare la distribuzione delle coppie di fotoni con estrema precisione. Hanno diviso i dati in due gruppi basati sul momento delle coppie di fotoni, una tecnica che aiuta a isolare l'effetto di interferenza. I ricercatori hanno poi confrontato i dati reali con simulazioni al computer che modellavano come sarebbe stata la distribuzione se il bosone di Higgs avesse larghezze diverse. Hanno scoperto che i dati erano coerenti con la previsione del Modello Standard, non mostrando prove di un modo di decadimento nascosto e invisibile che avrebbe ampliato la larghezza.

Lo studio ha stabilito un nuovo limite sulla larghezza totale del bosone di Higgs. I ricercatori hanno concluso che la larghezza è inferiore a 307 milioni di elettronvolt con un livello di confidenza del 95 percento. Ciò significa che se la larghezza fosse stata superiore, la distorsione nei dati dei fotoni sarebbe stata troppo evidente per essere ignorata. Il limite atteso, basato su ciò che l'esperimento avrebbe dovuto essere in grado di vedere se i dati fossero stati perfetti, era di 258 milioni di elettronvolt. Sebbene questi numeri siano ancora circa 75 volte superiori alla previsione del Modello Standard di 4,1 milioni di elettronvolt, la misurazione è significativa perché è un'osservazione diretta "on-shell" che non dipende da assunti teorici sui legami della particella. Fornisce un modo complementare per verificare le proprietà del bosone di Higgs, indipendentemente dai metodi utilizzati negli studi precedenti.

La precisione di questo risultato è attualmente limitata dalle incertezze nei calcoli teorici dell'effetto di interferenza e nella massa esatta del bosone di Higgs. I ricercatori hanno osservato che la principale fonte di incertezza proviene dal lato teorico, specificamente dal calcolo di come l'interferenza si comporta. Ciò suggerisce che i futuri miglioramenti nella fisica teorica saranno altrettanto importanti quanto la raccolta di nuovi dati. Nonostante gli attuali limiti, il metodo stesso è un trionfo. Dimostra che gli scienziati possono usare la sottile interferenza delle onde quantistiche per misurare una proprietà che è altrimenti nascosta dai limiti della risoluzione sperimentale. Questo apre una nuova strada per testare il Modello Standard, offrendo un modo per cercare la nuova fisica che non dipenda dagli stessi assunti di altre tecniche.

I risultati confermano che, entro i limiti attuali di misurazione, il bosone di Higgs si comporta come previsto dal Modello Standard. Non c'è segno che esso decada in particelle invisibili o altri stati esotici che avrebbero ampliato la sua larghezza di decadimento totale. Sebbene la misurazione non sia ancora abbastanza precisa da escludere tutta la possibile nuova fisica, essa stabilisce un vincolo robusto e privo di assunti. Man mano che i calcoli teorici miglioreranno e verranno raccolti più dati, questa tecnica diventerà ancora più potente, potenzialmente rivelando le prime crepe nel Modello Standard o confermando la sua resilienza con una chiarezza senza precedenti. Per ora, il bosone di Higgs rimane un mistero nel senso che la sua larghezza non è ancora misurata con la precisione di un righello, ma l'ombra che proietta sul paesaggio quantistico è stata mappata con una nuova sorta di luce.