Um mapa detalhado das interações do bóson de Higgs pelo experimento ATLAS dez anos após a descoberta

Nature volume 607, páginas 52–59 (2022) Cite este artigo

27k acessos

38 Citações

435 Altmétrico

Detalhes das métricas

Uma correção do editor para este artigo foi publicada em 06 de dezembro de 2022

Este artigo foi atualizado

O modelo padrão da física de partículas1,2,3,4 descreve as partículas e forças fundamentais conhecidas que compõem nosso Universo, com exceção da gravidade. Uma das características centrais do modelo padrão é um campo que permeia todo o espaço e interage com as partículas fundamentais5,6,7,8,9. A excitação quântica desse campo, conhecida como campo de Higgs, se manifesta como o bóson de Higgs, a única partícula fundamental sem spin. Em 2012, uma partícula com propriedades consistentes com o bóson de Higgs do modelo padrão foi observada pelos experimentos ATLAS e CMS no Grande Colisor de Hádrons do CERN10,11. Desde então, mais de 30 vezes mais bósons de Higgs foram registrados pelo experimento ATLAS, permitindo medições muito mais precisas e novos testes da teoria. Aqui, com base neste conjunto de dados maior, combinamos um número sem precedentes de processos de produção e decaimento do bóson de Higgs para examinar suas interações com partículas elementares. As interações com glúons, fótons e bósons W e Z — os portadores das forças forte, eletromagnética e fraca — são estudadas em detalhes. As interações com três partículas de matéria de terceira geração (bottom (b) e top (t) quarks e tau léptons (τ)) são bem medidas e as indicações de interações com uma partícula de segunda geração (múons, μ) estão surgindo. Esses testes revelam que o bóson de Higgs descoberto há dez anos é notavelmente consistente com as previsões da teoria e fornece restrições rigorosas em muitos modelos de novos fenômenos além do modelo padrão.

O modelo padrão da física de partículas foi testado por muitos experimentos desde sua formulação1,2,3,4 e, após contabilizar as massas dos neutrinos, nenhuma discrepância entre as observações experimentais e suas previsões foi estabelecida até agora. Uma característica central do modelo padrão é a existência de um campo quântico sem spin que permeia o Universo e dá massa a partículas elementares massivas. Testar a existência e as propriedades desse campo e de sua partícula associada, o bóson de Higgs, tem sido um dos principais objetivos da física de partículas há várias décadas. No modelo padrão, a força da interação, ou 'acoplamento', entre o bóson de Higgs e uma determinada partícula é totalmente definida pela massa e tipo da partícula. Não há acoplamento direto para os mediadores de força do modelo padrão sem massa, os fótons e glúons, enquanto existem três tipos de acoplamentos para partículas massivas na teoria. O primeiro é o acoplamento 'medido' do bóson de Higgs aos mediadores da força fraca, os bósons vetoriais W e Z. Demonstrar a existência de acoplamentos de gauge é um teste essencial do mecanismo espontâneo de quebra de simetria eletrofraca5,6,7,8,9. O segundo tipo de acoplamento envolve outra interação fundamental, a interação de Yukawa, entre o bóson de Higgs e as partículas de matéria, ou férmions. O terceiro tipo de acoplamento é o 'auto-acoplamento' do bóson de Higgs a si mesmo. Uma previsão central da teoria é que os acoplamentos escalam com as massas das partículas e todos são previstos com precisão uma vez que todas as massas das partículas são conhecidas. A determinação experimental dos acoplamentos do bóson de Higgs a cada partícula individual fornece, portanto, testes importantes e independentes do modelo padrão. Ele também fornece restrições rigorosas em teorias além do modelo padrão, que geralmente prevêem diferentes padrões de valores de acoplamento.

Em 2012, os experimentos ATLAS12 e CMS13 no Large Hadron Collider (LHC)14 do CERN anunciaram a descoberta de uma nova partícula com propriedades consistentes com as previstas para o bóson de Higgs do modelo padrão10,11. Medições mais precisas que usaram todos os dados de colisão próton-próton obtidos durante o primeiro período de coleta de dados de 2011 a 2012 no LHC (Execução 1) mostraram evidências de que, em contraste com todas as outras partículas fundamentais conhecidas, as propriedades do descoberto partícula foram consistentes com a hipótese de que ela não tem spin15,16. As hipóteses alternativas de spin-1 e spin-2 também foram testadas e foram excluídas com um alto nível de confiança. Investigações das propriedades de conjugação de carga e paridade (CP) da nova partícula também foram realizadas, demonstrando consistência com o estado quântico CP-par previsto pelo modelo padrão, enquanto ainda permite pequenas misturas de modelos não-padrão CP-even ou CP -estados ímpares15,16. Os limites do tempo de vida da partícula foram obtidos por meio de medições indiretas de sua largura natural15,16,17,18,19. Além disso, foram obtidas medições mais precisas das interações da nova partícula com outras partículas elementares20. Os resultados de todas essas investigações demonstraram que suas propriedades eram compatíveis com as do modelo padrão do bóson de Higgs. No entanto, as incertezas estatísticas associadas a essas medições iniciais permitiram um espaço considerável para possíveis interpretações dos dados em termos de novos fenômenos além do modelo padrão e deixaram muitas previsões do modelo padrão não testadas.