Una mappa dettagliata delle interazioni del bosone di Higgs realizzata dall'esperimento ATLAS dieci anni dopo la scoperta

Natura volume 607, pagine 52–59 (2022)Citare questo articolo

27k accessi

38 citazioni

435 Altmetrico

Dettagli sulle metriche

Una correzione dell'editore a questo articolo è stata pubblicata il 6 dicembre 2022

Questo articolo è stato aggiornato

Il modello standard della fisica delle particelle1,2,3,4 descrive le particelle e le forze fondamentali conosciute che compongono il nostro Universo, ad eccezione della gravità. Una delle caratteristiche centrali del modello standard è un campo che permea tutto lo spazio e interagisce con le particelle fondamentali5,6,7,8,9. L'eccitazione quantistica di questo campo, noto come campo di Higgs, si manifesta come il bosone di Higgs, l'unica particella fondamentale priva di spin. Nel 2012, una particella con proprietà coerenti con il bosone di Higgs del modello standard è stata osservata dagli esperimenti ATLAS e CMS al Large Hadron Collider del CERN10,11. Da allora, l’esperimento ATLAS ha registrato un numero di bosoni di Higgs più di 30 volte superiore, consentendo misurazioni molto più precise e nuovi test della teoria. Qui, sulla base di questo set di dati più ampio, combiniamo un numero senza precedenti di processi di produzione e decadimento del bosone di Higgs per esaminare attentamente le sue interazioni con le particelle elementari. Le interazioni con gluoni, fotoni e bosoni W e Z, i portatori delle forze forte, elettromagnetica e debole, vengono studiate in dettaglio. Le interazioni con tre particelle di materia di terza generazione (quark bottom (b) e top (t) e leptoni tau (τ)) sono ben misurate e stanno emergendo indicazioni di interazioni con una particella di seconda generazione (muoni, μ). Questi test rivelano che il bosone di Higgs scoperto dieci anni fa è notevolmente coerente con le previsioni della teoria e fornisce vincoli stringenti su molti modelli di nuovi fenomeni oltre il modello standard.

Il modello standard della fisica delle particelle è stato testato da molti esperimenti sin dalla sua formulazione1,2,3,4 e, dopo aver tenuto conto delle masse dei neutrini, finora non sono state stabilite discrepanze tra le osservazioni sperimentali e le sue previsioni. Una caratteristica centrale del modello standard è l’esistenza di un campo quantistico senza spin che permea l’Universo e conferisce massa alle particelle elementari massicce. Testare l’esistenza e le proprietà di questo campo e della particella ad esso associata, il bosone di Higgs, è stato uno degli obiettivi principali della fisica delle particelle per diversi decenni. Nel modello standard, la forza dell'interazione, o “accoppiamento”, tra il bosone di Higgs e una data particella è completamente definita dalla massa e dal tipo della particella. Non esiste un accoppiamento diretto con i mediatori di forza del modello standard senza massa, i fotoni e i gluoni, mentre nella teoria ci sono tre tipi di accoppiamenti con particelle dotate di massa. Il primo è l'accoppiamento di "gauge" del bosone di Higgs con i mediatori della forza debole, i bosoni vettori W e Z. Dimostrare l'esistenza di accoppiamenti di calibro è un test essenziale del meccanismo spontaneo di rottura della simmetria elettrodebole5,6,7,8,9. Il secondo tipo di accoppiamento coinvolge un’altra interazione fondamentale, l’interazione di Yukawa, tra il bosone di Higgs e le particelle di materia, o fermioni. Il terzo tipo di accoppiamento è l'"autoaccoppiamento" del bosone di Higgs con se stesso. Una previsione centrale della teoria è che gli accoppiamenti crescono con le masse delle particelle e sono tutti previsti con precisione una volta note tutte le masse delle particelle. La determinazione sperimentale degli accoppiamenti del bosone di Higgs ad ogni singola particella fornisce quindi test importanti ed indipendenti dal modello standard. Fornisce inoltre vincoli rigorosi alle teorie che vanno oltre il modello standard, che generalmente prevedono diversi modelli di valori di accoppiamento.

Nel 2012, gli esperimenti ATLAS12 e CMS13 presso il Large Hadron Collider (LHC)14 del CERN hanno annunciato la scoperta di una nuova particella con proprietà coerenti con quelle previste per il bosone di Higgs del modello standard10,11. Misurazioni più precise che hanno utilizzato tutti i dati di collisione protone-protone rilevati durante il primo periodo di raccolta dati dal 2011 al 2012 presso l'LHC (Run 1) hanno mostrato prove che, a differenza di tutte le altre particelle fondamentali conosciute, le proprietà delle particelle scoperte particella erano coerenti con l'ipotesi che non abbia spin15,16. Sono state testate anche ipotesi alternative di spin-1 e spin-2 che sono state escluse con un alto livello di confidenza. Sono state inoltre eseguite indagini sulle proprietà di coniugazione di carica e parità (CP) della nuova particella, dimostrando coerenza con lo stato quantico CP-pari previsto dal modello standard, pur consentendo piccole mescolanze del modello non standard CP-pari o CP -stati dispari15,16. I limiti sulla durata della particella sono stati ottenuti attraverso misurazioni indirette della sua larghezza naturale15,16,17,18,19. Inoltre, sono state ottenute misurazioni più precise delle interazioni della nuova particella con altre particelle elementari20. I risultati di tutte queste indagini dimostrarono che le sue proprietà erano compatibili con quelle del bosone di Higgs del modello standard. Tuttavia, le incertezze statistiche associate a queste prime misurazioni hanno lasciato ampio spazio a possibili interpretazioni dei dati in termini di nuovi fenomeni oltre il modello standard e hanno lasciato molte previsioni del modello standard non testate.