Nuova misura di precisione della massa del bosone di Higgs dall’esperimento ATLAS
Figure 1: The diphoton invariant mass distribution of all data events (black dots). The Higgs boson corresponds to the excess of events observed at 125 GeV with respect to the background (dashed line). (Image: ATLAS Collaboration/CERN)
A circa undici anni dalla sua scoperta, il bosone di Higgs sta diventando sempre più centrale nello studio della struttura fondamentale del nostro universo. L’esperimento ATLAS, all’anello di collisione LHC del CERN di Ginevra, ha appena reso pubblica alla conferenza LeptonPhoton2023 la misura più precisa al mondo della massa del bosone di Higgs, superando per la prima volta la soglia di precisione relativa dello 0.1%. La massa del bosone di Higgs (mH) è un parametro libero del Modello Standard delle particelle elementari (SM) che deve essere determinato sperimentalmente. La misura precisa del suo valore è di fondamentale importanza nella fisica delle particelle elementari: in primo luogo, le sezioni d’urto di produzione del bosone di Higgs e i suoi tassi di decadimento dipendono dalla sua massa. In secondo luogo, i valori della massa del bosone di Higgs, del bosone W e del quark top giocano un ruolo fondamentale nella verifica della consistenza interna del Modello Standard. Infine, la massa del bosone di Higgs riveste un ruolo fondamentale nella forma e nell’evoluzione con l’energia del potenziale di Higgs nello Standard Model e, di conseguenza, svolge un ruolo cruciale nel determinare la stabilità del nostro universo.
Quasi cinque anni dopo la fine della fase di raccolta dati detta ”Run 2” (2015-2018), la collaborazione ATLAS ha rilasciato la misura finale della massa del bosone di Higgs nel canale di decadimento a due fotoni. Rispetto alla precedente misura di ATLAS in questo canale, il nuovo risultato beneficia di un campione di dati più grande che ha consentito il dimezzamento dell’incertezza statistica e una sorprendente riduzione di un fattore quattro dell’incertezza sistematica. Questo risultato è stato possibile solo grazie a un lungo e dettagliato lavoro di studio delle incertezze sistematiche sulla calibrazione della scala dell’energia dei fotoni. Il valore della massa del bosone di Higgs ottenuto combinando la nuova misura con quella ottenuta nel “Run1” (2011-2012) nello stesso canale [4] risulta :
mH= 125.22 ± 0.11(stat.) ± 0.09(syst.) GeV = 125.22 ± 0.14 GeV.
Con un’incertezza dell’1.1 per mille questa misura diventa la più precisa mai ottenuta da un singolo canale di decadimento.
La nuova misura è stata poi combinata con quella già pubblicata nel canale a 4 leptoni che permette di ridurre ulteriormente l’incertezza:
mH= 125.11± 0.09(stat) ±0.06 (syst) GeV =125.11±0.11 GeV
Questo risultato, con un’incertezza relativa dello 0.09% rappresenta ad oggi la più precisa misura disponibile di questo fondamentale parametro.
Il gruppo ATLAS del dipartimento di fisica “A. Pontremoli” dell’Università di Milano e della sezione INFN di Milano ha una lunga storia di attivita’ all’interno della collaborazione nella costruzione del calorimetro elettromagnetico, del tracciatore a pixel e su big-data computing. La misura ha visto un contributo fondamentale del team di analisi milanese fortemente impegnato nella calibrazione del calorimetro elettromagnetico e nello studio del canale di decadimento del bosone di Higgs in due fotoni.