Bosone di Higgs: il nostro passaporto per la valle nascosta della nuova fisica in Next

Di Istituto di Fisica Nucleare PAN23 maggio 2023

Gli scienziati dell'Istituto di fisica nucleare dell'Accademia polacca delle scienze propongono che il bosone di Higgs possa interagire con la "nuova fisica" attraverso il decadimento in particelle esotiche, secondo i modelli della "Valle nascosta". Questi modelli suggeriscono che i futuri acceleratori di particelle potrebbero osservare questo decadimento esotico, aprendo potenzialmente la strada alla comprensione di nuova fisica oltre il nostro attuale Modello Standard.

Può darsi che il famoso bosone di Higgs, corresponsabile dell'esistenza delle masse di particelle elementari, interagisca anche con il mondo della nuova fisica ricercata da decenni. Se così fosse, l’Higgs dovrebbe decadere in un modo caratteristico, coinvolgendo particelle esotiche. Presso l'Istituto di fisica nucleare dell'Accademia polacca delle scienze a Cracovia è stato dimostrato che, se tali decadimenti dovessero effettivamente verificarsi, saranno osservabili nei successori dell'LHC attualmente in fase di progettazione.

Quando parliamo della "valle nascosta", il nostro primo pensiero va ai draghi piuttosto che alla scienza. Tuttavia, nella fisica delle alte energie, questo nome pittoresco viene dato ad alcuni modelli che estendono l’insieme delle particelle elementari attualmente conosciute. In questi cosiddetti modelli Hidden Valley, le particelle del nostro mondo come descritto dal Modello Standard appartengono al gruppo a bassa energia, mentre le particelle esotiche sono nascoste nella regione ad alta energia. Considerazioni teoriche suggeriscono quindi il decadimento esotico del famoso bosone di Higgs, qualcosa che non è stato osservato all'acceleratore LHC nonostante molti anni di ricerca. Tuttavia, gli scienziati dell’Istituto di fisica nucleare dell’Accademia polacca delle scienze (IFJ PAN) di Cracovia sostengono che i decadimenti di Higgs in particelle esotiche dovrebbero già essere perfettamente osservabili negli acceleratori successori del Large Hadron Collider – se i modelli della Higgden Valley si trasformano in particelle esotiche. risultare coerente con la realtà.

"Nei modelli Hidden Valley abbiamo due gruppi di particelle separati da una barriera energetica. La teoria è che potrebbero esserci particelle esotiche massicce che potrebbero attraversare questa barriera in circostanze specifiche. Le particelle come il bosone di Higgs o l'ipotetico bosone Z' agirebbero come comunicatori tra le particelle di entrambi i mondi. Il bosone di Higgs, una delle particelle più massicce del Modello Standard, è un ottimo candidato per tale comunicatore," spiega il Prof. Marcin Kucharczyk (IFJ PAN), autore principale di un articolo su il Journal of High Energy Physics, che presenta le ultime analisi e simulazioni riguardanti la possibilità di rilevare i decadimenti del bosone di Higgs nei futuri acceleratori leptonici.

Il comunicatore, dopo essere passato nella regione a bassa energia, decaderebbe in due particelle esotiche piuttosto massicce. Ognuna di queste, in picosecondi – cioè trilionesimi di secondo – decadrebbe in altre due particelle, con masse ancora più piccole, che rientrerebbero quindi nel Modello Standard. Quindi quali segnali ci si aspetterebbero dai rilevatori dei futuri acceleratori? Lo stesso Higgs rimarrebbe inosservato, così come le due particelle della Higgden Valley. Tuttavia, le particelle esotiche divergerebbero gradualmente e alla fine decadrebbero, generalmente in coppie di bellezza quark-antiquark visibili nei moderni rivelatori mentre getti di particelle si spostavano dall'asse del fascio di leptoni.

La ricerca dell'esotico bosone di Higgs decade nei futuri collisori di leptoni: 1) un elettrone e un positrone provenienti da fasci opposti si scontrano; 2) la collisione produce un bosone di Higgs ad alta energia; 3) il bosone decade in due particelle esotiche allontanandosi dall'asse dei fasci; 4) le particelle esotiche decadono in coppie di quark-antiquark, visibili ai rivelatori. Credito: IFJ PAN

"Le osservazioni dei decadimenti del bosone di Higgs consisterebbero quindi nella ricerca dei getti di particelle prodotti dalle coppie quark-antiquark. Le loro tracce dovrebbero poi essere ricostruite retrospettivamente per trovare i luoghi in cui è probabile che le particelle esotiche siano decadute. Questi luoghi, professionalmente chiamati vertici di decadimento, dovrebbero apparire in coppia ed essere tipicamente spostati rispetto all'asse dei raggi in collisione nell'acceleratore. La dimensione di questi spostamenti dipende, tra le altre cose, dalle masse e dalla durata media delle particelle esotiche che appaiono durante il decadimento di Higgs," dice Mateusz Goncerz, M.Sc. (IFJ PAN), coautore dell'articolo in questione.