Tra le nuove particelle che vengono ricercate, la particella di Higgs è quella più famosa. La sua scoperta darebbe conferma di una teoria formulata a metà degli anni '60 del XX secolo che descrive il meccanismo in grado di fornire la massa a tutte le particelle del modello standard. Da principi di simmetria discende il fatto che, immediatamente dopo il big bang, tutte le particelle elementari dovessero essere prive di massa. La teoria ipotizza che un mezzo viscoso, denominato campo di Higgs, si sia spanso nell'universo pochi istanti dopo il big bang. Da allora le particella hanno acquistato una massa: più interagiscono con questo mezzo maggiore è la loro massa, maggiore è la forza necessaria per accelerarle nel mezzo. Per provare l'esistenza del campo di Higgs è necessario eccitarlo in qualche modo, come quando si creano piccoli vortici in liquidi e gas. Questi vortici sono i quanti associati alle eccitazioni del campo di Higgs e sono detti particelle di Higgs. Sono massivi e con vita media molto breve. Decadono in altre particelle prima di essere rivelabili e possono quindi essere trovati solo grazie ai loro prodotti di decadimento. Le particelle in cui l'Higgs decade possono essere previste in base alla sua massa, il cui valore però ancora non è noto. È per questo che i fisici cercano diversi segnali corrispondenti a tutti i possibili decadimenti dell'Higgs. Nel diagramma sotto, che è basato sui calcoli teorici e contiene i recenti risultati sperimentali di ATLAS e CMS, sono mostrate le frazioni (asse y) dei più importanti processi di decadimento della particella Higgs. In aggiunta è possibile vedere aree tratteggiate all’interno del diagramma. Queste aree di masse dell’Higgs teoricamente possibili, o sono state recentemente escluse a LHC dopo le analisi di ATLAS e CMS (al 95% di livello di confidenza), o furono escluse da un predecessore di LHC, l’acceleratore LEP, 10 anni fa. L’influenza che la massa dell’Higgs (asse x) ha su queste frazioni appare ben chiara.



Presta attenzione alla linea tratteggiata blu (in corrispondenza alla dicitura WW). Poiché non è possibile provare l’esistenza della particella di Higgs osservando eccessi di eventi con coppie di quark bottom e anti-bottom (a causa del fondo significativo) questa linea ci dice che: il decadimento della particella di Higgs in due particelle W è il modo di decadimento più probabile nell’intero, e ancora permesso, intervallo di massa. Questi W hanno carica elettrica opposta poiché la particella di Higgs è elettricamente neutra.

Qui sorge un problema: se una particella di Higgs decade in due W, sembrerà che sia la produzione di due W con carica elettrica opposta. Questo processo di produzione è permesso nel modello standard e non ha niente a che fare con la produzione di Higgs (vedi il grafico di Feynman sotto a destra). Ed è anche peggio: l’ultimo processo (produzione di due W senza partecipazione dell’Higgs) è di gran lunga più frequente (da 4 a 10 volte a secondo della massa). Ma come puoi allora distinguere fra questi due processi? Bene, guardando solo la raffigurazione dell’evento non puoi farlo! Ma con l’aiuto di quantità fisiche aggiuntive (che devi imparare, per capire come si lavora) possiamo meglio distinguere fra questi due processi. I fisici delle particelle chiamano questo procedimento: incrementare il rapporto del segnale sul fondo.

Nella ricerca dell’Higgs vogliamo perfino specificare quali modi di decadimento dei WW considerare. Entrambe le particelle W decadono indipendentemente le une dalle altre seguendo le leggi del Modello Standard. Una singola particella W può decadere in una coppia di quark o anti-quark oppure in una coppia leptone o anti-leptone. Vogliamo guardare quest’ultimo modo di decadimento, dove entrambe le particelle W decadranno in una coppia di leptone e anti-leptone, escludendo i tau per via della loro complicata identificazione. I fisici chiamano brevemente questo modo di decadimento H→WW→lνlν o WW→lνlν, dove l sta per elettrone, muone, positrone, anti-muone.

Per incrementare il rapporto segnale su fondo nel modo di decadimento scelto, ci concentreremo sull’angolo fra i due leptoni rivelabili nel piano perpendicolare alla direzione del tubo a vuoto. Questo angolo è chiamato angolo di apertura. Tenendo in considerazione le relazioni tra gli spin delle particelle prodotte, ci aspettiamo di trovare eventi di Higgs principalmente ad angoli minori di 90 gradi, mentre, gli eventi WW del Modello Standard appaiono nell’intero intervallo di angoli preferendo angoli maggiori di 90 gradi.



E ora puoi trovare anche tu la particella di Higgs - passiamo alla misura!

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