A Colaboração ATLAS encontra evidências de decaimentos do bóson de Higgs para múons e melhora a sensibilidade para decaimentos do bóson de Higgs para um bóson Z e um fóton.
Desde a descoberta do bóson de Higgs em 2012, os físicos têm feito grandes avanços na exploração de suas propriedades. Isso significa que o assunto está resolvido? Muito pelo contrário! Em novos resultados apresentados na Conferência Europeia de Física da Matéria (EPS-HEP) de 2025, a Colaboração ATLAS concentrou-se em dois decaimentos excepcionalmente raros do bóson de Higgs, utilizando dados coletados na Run 3 do Grande Colisor de Hádrons (LHC). Esses estudos oferecem profundas percepções sobre como o comportamento do bóson de Higgs se alinha com o Modelo Padrão.
O primeiro processo em estudo foi o decaimento do bóson de Higgs em um par de múons (H→μμ). Apesar de sua raridade – ocorrendo apenas em 1 em cada 5000 decaimentos de Higgs – esse processo fornece a melhor oportunidade para estudar a interação do Higgs com férmions da segunda geração e esclarecer a origem da massa entre diferentes gerações. O segundo processo investigado foi o decaimento do bóson de Higgs em um bóson Z e um fóton (H→Zγ), onde o bóson Z decai posteriormente em pares de elétrons ou múons. Este decaimento raro é especialmente intrigante, pois ocorre através de um “loop” intermediário de partículas virtuais. Se novas partículas contribuírem para esse loop, o processo pode oferecer indícios de física além do Modelo Padrão.
Procurando agulhas em um palheiro
Identificar esses decaimentos raros é um grande desafio. Para H→μμ, os pesquisadores procuraram por um pequeno excesso de eventos agrupados próximos a uma massa de par de múons de 125 GeV (a massa do bóson de Higgs). Esse sinal pode ser facilmente ocultado entre os milhares de pares de múons produzidos através de outros processos (“fundo”).
O decaimento H→Zγ é ainda mais difícil de isolar, pois as chances de detectar seu sinal são complicadas pelo fato de que o bóson Z decai em léptons detectáveis apenas cerca de 6% das vezes. Complicando ainda mais o desafio estão as condições de operação da Run 3 do LHC, que apresentam mais colisões sobrepostas, tornando mais fácil para jatos de partículas imitarem fótons reais.
Para aumentar a sensibilidade de suas buscas, os físicos do ATLAS combinaram os primeiros três anos de dados da Run 3 (165 fb-1, coletados entre 2022-2024) com todo o conjunto de dados da Run 2 (140 fb-1, de 2015-2018). Eles também desenvolveram um método sofisticado para modelar melhor os processos de fundo, categorizaram os eventos registrados pelos modos de produção específicos do Higgs e fizeram mais melhorias em suas técnicas de seleção de eventos na tentativa de maximizar a probabilidade de detectar sinais genuínos.
Encontrando evidências e aumentando a sensibilidade
<p Na pesquisa anterior por H→μμ, utilizando todo o conjunto de dados da Run 2, a Colaboração ATLAS observou sua primeira pista desse processo no nível de 2 desvios padrão. O resultado comparável do CMS alcançou uma significância observada (esperada) de 3 (2,5) desvios padrão. Agora, com os conjuntos de dados combinados da Run 2 e Run 3, a Colaboração ATLAS encontrou evidências para H→μμ com uma significância observada (esperada) sobre a hipótese apenas de fundo de 3,4 (2,5) desvios padrão. Isso significa que a chance de que o resultado seja uma flutuação estatística é inferior a uma em 3000!
Quanto ao processo H→Zγ, uma análise combinada anterior do ATLAS e CMS usou dados da Run 2 para encontrar evidências desse modo de decaimento. Ela relatou um excesso observado (esperado) sobre a hipótese apenas de fundo de 3,4 (1,6) desvios padrão. O mais recente resultado do ATLAS, combinando dados da Run 2 e Run 3, reportou um excesso observado (esperado) sobre a hipótese apenas de fundo de 2,5 (1,9) desvios padrão. Esse resultado fornece a sensibilidade esperada mais rigorosa até hoje para medir a probabilidade de decaimento (“fração de ramificação”) de H→Zγ.
Esses avanços foram possíveis graças ao grande e excelente conjunto de dados fornecido pelo LHC, à notável eficiência e desempenho do experimento ATLAS e ao uso de técnicas de análise inovadoras. Com mais dados a caminho, a jornada de exploração continua!