Peter Higgs e François Englert receberam o Prêmio Nobel de Física após a descoberta em 2012 do bóson de Higgs com massa de 125 GeV. A sua existência forneceu provas experimentais do previsto “campo de Higgs” que permeia o universo e fornece o mecanismo que dá massa aos blocos de construção fundamentais da natureza. Como isso afeta o mundo real? Considere o átomo mais simples, o hidrogênio, que consiste em um próton e um elétron. Se os elétrons não tivessem massa, eles não se ligariam ao núcleo! Num tal cenário, a atração eletromagnética entre prótons e elétrons não seria suficiente para mantê-los juntos, o que significa que não teríamos átomos, moléculas, plantas, planetas ou estrelas. O universo inteiro seria muito diferente.
Curiosamente, não existem limitações no modelo padrão (SM) da física de partículas que impeçam a existência de mais de um “bóson de Higgs”. Na verdade, muitas teorias sofisticadas vão além do SM (BSM) e prevêem que o bóson de Higgs tem vários irmãos, cuja existência poderia nos ajudar a compreender vários fenômenos físicos inexplicáveis, como o desequilíbrio matéria-antimatéria no universo, a produção de matéria escura, ou o peso do quark top e do bóson SM Higgs em comparação com outras partículas conhecidas.
O modelo de 'dois dupletos de Higgs' (2HDM) é uma teoria que prevê quatro irmãos para o bóson de Higgs, denotados como A, H, H+ e H-. Os dois primeiros são eletricamente neutros e os dois últimos possuem cargas elétricas positivas e negativas, respectivamente. As massas dos bósons H e A podem ser inferiores a 1 TeV, o que significa que, se existirem, poderemos encontrá-los nas colisões próton-próton do LHC! Até o momento, essa possibilidade não foi descartada.
Figura 1. Ilustração da produção associada ao quark top de um novo bóson, H ou A, que decai em um quark top e um antiquark charm (ou up).
A Colaboração CMS lançou recentemente uma nova busca pelos bósons neutros, H ou A, produzidos em associação com um quark top. Este é um canal de busca interessante, pois a força de interação entre os irmãos neutros do bóson de Higgs e outras partículas fundamentais é mais forte para partículas com massas maiores. O quark top é a partícula mais pesada que conhecemos até hoje, o que significa que o processo que escolhemos teria uma probabilidade muito grande de ocorrer. A Figura 1 ilustra esquematicamente a produção dos novos bósons neutros: a linha azul representa H ou A, e a linha verde descendente representa um quark top produzido simultaneamente. O bóson neutro posteriormente decai em um antiquark charm (ou up) e um quark top. Nesse sentido, o comportamento do bóson H e/ou A é diferente do bóson de Higgs descoberto em SM: o bóson de Higgs SM não pode decair em um quark e um antiquark que possuem sabores diferentes.
Como acontece em 99% das vezes, espera-se que cada um dos dois quarks superiores em nosso sinal decaia em um quark b e um bóson W. Esta pesquisa tem como alvo eventos onde ambos os bósons W decaem em um leptão carregado e um neutrino. O estado final que observamos com o detector CMS contém dois léptons com a mesma carga elétrica, juntamente com dois jatos de quark b e um jato up ou charm antiquark. Embora tais eventos sejam raros, esta seleção reduz significativamente as contribuições de base. Técnicas sofisticadas de aprendizado de máquina são otimizadas para aumentar a sensibilidade da análise a esse sinal em relação a processos SM com assinatura semelhante.
Figura 2: Um evento de colisão próton-próton com uma energia de centro de massa de 13 TeV, registrado pelo detector CMS. A assinatura é semelhante ao que é esperado de uma produção A/H associada a quarks superiores, onde ambos os quarks superiores eventualmente decaem em léptons. É caracterizado pela presença de dois léptons (aqui um múon e um elétron) com a mesma carga elétrica, dois jatos b do decaimento dos quarks top e um terceiro jato do decaimento A/H. O múon é representado pela linha vermelha, o elétron pela linha verde e os jatos pelos cones amarelos. Tente girar e ampliar esta página separada.
A análise utilizou os dados recolhidos pelo CMS durante 2016–2018, correspondendo a uma luminosidade integrada de 138 fb-1. Como a massa dos novos bósons neutros não é conhecida, realizamos a busca por diversos cenários onde a massa do H (ou A) pode variar de 200 GeV a 1 TeV. Não é observado nenhum excesso estatisticamente significativo sobre os antecedentes do SM. A Figura 3 apresenta os limites superiores observados na relação entre a seção transversal de produção do sinal medido e o esperado da teoria. Os resultados são apresentados em função da massa do bóson neutro A e da força de sua interação com as partículas para as quais ele decai: um quark top e um antiquark charm, ou um quark top antiquark e um quark charm.
Figura 3. Limites superiores observados para a razão entre a seção transversal de produção de sinal medida e a esperada da teoria, em função da massa do bóson neutro A, e da força de sua interação com o quark top e o charm antiquark, ou com o top antiquark e o charm quark.
As regiões onde o limite superior deste rácio é inferior a um são excluídas, pois podemos ter certeza de que o que observamos é inferior ao que esperaríamos, com base nesta teoria. Apesar da falta de um excesso significativo, estes são alguns dos resultados mais informativos que alcançamos para este modelo até agora e fornecem aos físicos informações valiosas sobre direções futuras de pesquisas exóticas do bóson de Higgs. A riqueza de dados que serão recolhidos durante a próxima década no LHC, juntamente com métodos experimentais em constante melhoria, certamente aumentarão a sensibilidade das pesquisas pela “nova física” que sabemos que deve estar por aí. Novos bósons de Higgs ou qualquer outra coisa, a física está atualmente numa encruzilhada e o que encontraremos nos próximos anos terá um impacto monumental no caminho que seguirá.
Leia mais sobre esses resultados:
- Você gosta desses briefings e deseja receber uma notificação por e-mail quando houver um novo? Inscreva-se aqui