Era una sfida aperta da parecchio tempo: osservare con precisione l’interazione del bosone di Higgs con il quark top, la più pesante delle particelle elementari conosciute, caratterizzata da una massa paragonabile a quella di un atomo d’oro. Ma fino ad oggi le uniche misure sufficientemente significative erano indirette. Ora, gli esperimenti ATLAS e CMS all’acceleratore LHC del CERN annunciano che finalmente hanno osservato il bosone di Higgs interagire direttamente con una coppia di quark top e antiquark top. Si è, così, misurato il processo di produzione, chiamato “ttH”, di un bosone di Higgs in associazione con una coppia top-antitop. Il risultato è stato presentato lunedì 4 giugno nel corso della conferenza internazionale LHCP organizzata dall’INFN e dal CERN per la prima volta in Italia, a Bologna, e che vede riuniti oltre 400 fisici da tutto il mondo.
I risultati della collaborazione CMS, con una significatività statistica per la prima volta superiore a 5 deviazioni standard (vale a dire 5 sigma, che è considerato lo standard per la conferma di un’osservazione), sono stati sottomessi per la pubblicazione l’8 aprile e ora pubblicati sulla rivista Physical Review Letters (PRL). ATLAS ha incluso nuovi dati rispetto alle sue precedenti analisi, che avevano già dato indicazione del segnale, e sottomesso per la pubblicazione un risultato indipendente e consistente con significatività statistica di 6,3 sigma. Queste misure, coerenti con il Modello Standard delle particelle elementari avviano un nuovo canale di studio per il bosone di Higgs. La potenzialità di LHC nel misurare con precisione i processi previsti dalla teoria apre nuove strade per scoprire canali di fisica inesplorati.
La frequenza degli eventi ttH varia con la forza dell'interazione, vale a dire dell’accoppiamento tra il bosone di Higgs e i quark top, e la sua misura consente di dedurre il valore di questo accoppiamento. Misurare il processo di produzione ttH è, però, molto difficile perché è raro: solo l’1% dei bosoni di Higgs viene prodotto in associazione con due quark top e, inoltre, il bosone di Higgs e i quark top decadono in altre particelle in molti modi complessi. Usando i dati delle collisioni protone-protone raccolte all’energia di 7, 8 e 13 TeV, i gruppi di ATLAS e CMS hanno eseguito diverse ricerche indipendenti per la produzione di ttH, ciascuna indirizzata a diversi modi di decadimento del bosone di Higgs (in bosoni W, bosoni Z, fotoni, leptoni tau e getti da quark bottom). Per massimizzare la sensibilità al segnale ttH, ogni esperimento ha quindi combinato i risultati di tutte le sue ricerche. Giovani ricercatori dell’INFN che sono parte dei gruppi di ATLAS e CMS hanno avuto un ruolo rilevante nell’analisi dei dati che ha condotto alla scoperta, e sono stati co-responsabili della stesura dei due articoli scientifici.
“Grazie alle sofisticate tecniche di analisi dei dati sviluppate dagli sperimentatori e allo straordinario funzionamento di LHC – sottolinea Lorenzo Bianchini, editor dell’articolo di CMS apparso recentemente su PRL – abbiamo ottenuto un risultato ben al di là delle previsioni fatte all’inizio della presa dati”. “Questa osservazione – spiega Michele Pinamonti, co-editore di uno dei lavori che hanno portato al risultato finale di ATLAS – è sicuramente un successo dell’intera collaborazione: non sarebbe stata possibile, infatti, senza la cooperazione e il confronto tra i vari gruppi di analisi e tra i diversi istituti: un grande lavoro di squadra che ha portato a questo bel risultato”.
L’insieme degli innumerevoli risultati prodotti da ATLAS e CMS a LHC, illustrati e discussi con i fisici teorici durante la conferenza in corso, rappresenta un grande passo avanti nella nostra conoscenza delle proprietà del bosone di Higgs. Nei prossimi anni, i due esperimenti raccoglieranno molti più dati per verificare se sarà proprio il bosone di Higgs ad aprirci le porte della nuova fisica oltre il Modello Standard.
