Un bosone di Higgs che decade anche in qualche leptone

È passato un po' di tempo dall'ultima volta che ho scritto delle ricerche del bosone di Higgs. Magari vi siete fatti una cattiva idea, che con la scoperta del luglio 2012 e tutte le misure che le sono seguite la faccenda fosse chiusa, perlomeno fino alla riapertura delle attività di LHC nel 2015. Niente affatto.

Fino ad adesso, la particella che tanto assomiglia al bosone di Higgs del Modello Standard ha lasciato le sue tracce disintegrandosi in fotoni, o particelle Z o W: sono questi i canali di decadimento che ci hanno permesso di identificarlo, e di misurarne le proprietà. Se siete lettori abituali di questo sito, non vi sarà sfuggita l'elemento comune di questi decadimenti: in tutti e tre i casi, la particelle di Higgs si frantuma in bosoni, le particelle mediatrici delle interazioni fondamentali. Visti i risultati, resta dunque aperta una questione spinosa: la particella che abbiamo scoperto decade anche in fermioni, i costituenti fondamentali della materia? È una domanda importante: il decadere del bosone di Higgs in un certo tipo di particella è strettamente legato all'essere responsabile della sua massa. Se quello che abbiamo scoperto è proprio un bosone di Higgs, è responsabile della massa sia dei bosoni che dei fermioni?

I fermioni si dividono in due famiglie: da una parte i quark, i componenti fondamentali degli adroni (come il protone e il neutrone), dall'altra i leptoni, ovvero l'elettrone, il muone e la particella tau, più i loro rispettivi neutrini. In qualche modo sappiamo già, almeno indirettamente, che il bosone di Higgs che abbiamo visto ha una qualche relazione con i quark. Essendo il responsabile della massa della particelle, il bosone di Higgs può decadere solo in particelle che ne siano dotate, Come fa dunque a venire prodotto dalla fusione di due gluoni, o disintegrarsi in due fotoni, visto che queste particelle sono prive di massa? Tramite la mediazione di particelle massive, tra cui anche i quark, come nel diagramma qui sotto:

Nell'attesa che ATLAS osservi il decadimento del bosone di Higgs in due quark (quello più probabile sarebbe in una coppia quark-antiquark $b\overline{b}$), restava aperta la caccia a qualche traccia di decadimento in una coppia di leptoni. Non solo il bosone di Higgs ama relazionarsi con particelle dotate di massa, lo fa tanto più volentieri quanto maggiore è la questa loro massa. Dal punto di vista dei leptoni, è dunque molto più probabile che il bosone di Higgs decada in una coppia di leptoni tau $\tau \overline{\tau }$ che in una coppia muone-antimuone o elettrone-positroni. La massa di un $\tau$ è infatti circa 18 volta quella di un $\mu$, che a sua volta pesa circa duecento volte più che un elettrone.

Ieri mattina c'era una certa folla al seminario del CERN, durante il quale ATLAS avrebbe annunciato gli ultimi risultati sulle ricerche del bosone di Higgs in sui decadimenti in fermioni. La ragione di questo affollamento era evidente: tutti volevano sapere se ATLAS avesse finalmente avvistato un segnale inequivocabile di un decadimento in leptoni, che per adesso nessuno ha isolato con certezza. I fisici, come sapete se avete letto la serie di articoli sull'isolare un segnale da un rumore di fondo, hanno regole piuttosto precise per definite che cosa sia un'evidenza o una scoperta. Per adesso, la cosa che più si avvicinava a un'evidenza di un decadimento del bosone di Higgs in leptoni erano le 2.9 sigma di CMS nel canale $\tau \overline{\tau }$ annunciati questa primavera. Molto vicino, ma non ancora abbastanza.

I leptoni $\tau$ sono bestie difficili da isolare, molto più rognosi di elettroni e muoni, i loro cuginetti leggeri. Proprio per la loro massa considerevole, i $\tau$ possono decade in un sacco do modi diversi, per cui isolarli per bene e misurane la velocità è un'impresa complessa. Questa è una delle ragione per cui ATLAS ha impiegato così tanto tempo per uscire con il risultato presentato ieri. Il tempo impiegato però ha dato i suoi frutti. Ve la faccio breve: ATLAS vede chiaramente un segnale di decadimento del bosone di Higgs di massa intorno a 125 GeV che decade in una coppia di leptoni $\tau \overline{\tau }$, con un'eccesso quantificato a 4.1 sigma. Non ancora abbastanza per dichiarare una scoperta in questo canale, ma ben più di una semplice evidenza!

Il ritmo osservato di decadimenti in $\tau \overline{\tau }$ del nostro bosone di Higgs è un po' deludente. I numeri sono in ottimo accordo con quanto previsto dal Modello Standard, e non sembrano esserci tracce evidenti di nuova fisica in questo canale. Il Modello Standard si riconferma stabile e robusto, con tutti i problemi che questo porta con se.

Nella mia casella email è appena arrivato un messaggio: la settimana prossima ci sarà un seminario di CMS intitolato Direct Measurement of the Higgs Boson Fermionic Couplings at CMS, dove vedremo risultati di ricerche simili. E, ne sono certo, avremo qualche sorpresa interessante.