A Caccia di Quark Esotici e Higgs Carichi: la Mia Indagine all’LHC!

Amici appassionati di scienza e misteri del cosmo, mettetevi comodi! Oggi voglio portarvi con me in un viaggio affascinante nel cuore della materia, direttamente dal Large Hadron Collider (LHC) del CERN. Sapete, il Modello Standard, la teoria che descrive le particelle elementari e le loro interazioni, è un successo strepitoso, ma noi fisici siamo un po’ come degli esploratori insaziabili: sappiamo che c’è dell’altro là fuori, oltre le colonne d’Ercole della fisica conosciuta. Ci sono domande fondamentali che aspettano una risposta: la natura esatta del settore scalare (quello del bosone di Higgs, per intenderci), il problema della gerarchia (perché c’è una tale differenza di massa tra le particelle?), e la mancanza di un candidato convincente per la materia oscura. Ecco perché siamo sempre a caccia di nuova fisica!

I “Sospetti”: Quark Esotici e Higgs Carichi

Una delle strade più promettenti per andare oltre il Modello Standard è esplorare settori di Higgs estesi. Immaginate che invece di un solo tipo di bosone di Higgs, ce ne siano ben due famiglie: questo è il cuore del Modello a Due Doppietti di Higgs (2HDM). Questo modello predice l’esistenza di nuovi bosoni di Higgs: uno pesante neutro (H), uno pseudo-scalare (A) e, udite udite, una coppia di bosoni di Higgs carichi (H^epm;). Trovarli sarebbe un segnale inequivocabile di nuova fisica!

Ma non è tutto. Per rendere le cose ancora più intriganti, aggiungiamo al nostro scenario dei quark esotici pesanti, chiamati quark vettoriali (VLQ). Questi “cugini” più pesanti dei quark che conosciamo (come il top e il bottom) compaiono in molte teorie che cercano di risolvere i problemi del Modello Standard. La cosa bella è che questi VLQ possono interagire sia con le particelle del Modello Standard sia con i nuovi bosoni di Higgs previsti dal 2HDM, aprendo canali di decadimento completamente nuovi e inesplorati.

Nel mio lavoro, mi sono concentrato su un tipo specifico di VLQ, un “partner” del quark top che chiamo quark top vettoriale (VLT o T), all’interno di una versione particolare del 2HDM (chiamata Tipo-II) estesa con un doppietto di VLQ (T e B, dove B è un partner del quark bottom). Perché proprio questa combinazione? Perché offre una firma sperimentale particolarmente pulita e promettente, come vedremo tra poco!

La “Scena del Crimine”: Collisioni all’LHC e Firme Inconfondibili

Immaginate l’LHC come un gigantesco anello dove facciamo scontrare protoni a energie elevatissime (14 TeV, nel nostro caso). In queste collisioni, speriamo di produrre coppie di questi quark top vettoriali: pp erarr; TT. Una volta prodotti, questi VLT non vivono a lungo. E qui arriva il bello: nel nostro modello, il VLT decade prevalentemente attraverso una cascata molto specifica: T erarr; H⁺ b erarr; t b b. Cioè, il nostro VLT si trasforma in un bosone di Higgs carico (H⁺) e un quark bottom (b); a sua volta, l’Higgs carico decade in un quark top (t) e un altro quark bottom (b). Infine, il quark top decade in modo leptonico (cioè producendo un elettrone o un muone).

Cosa significa tutto questo per noi sperimentali? Significa che stiamo cercando eventi con una firma molto caratteristica:

• Una coppia di leptoni (elettroni o muoni) di carica elettrica opposta.
• Molteplici jet di quark bottom (b-jet). Pensate, almeno quattro!
• Energia trasversa mancante, dovuta ai neutrini che sfuggono alla rivelazione.

Questa combinazione di segnali è abbastanza rara nei processi del Modello Standard, il che ci dà una buona possibilità di distinguere il nostro segnale esotico dal “rumore di fondo”. È come cercare una melodia specifica in una grande orchestra!

L’Indagine: Simulazioni, Tagli e Caccia al Segnale

Per capire se possiamo davvero “vedere” questi eventi, non ci basta la teoria. Dobbiamo simulare al computer milioni e milioni di collisioni, sia quelle che producono il nostro segnale (la produzione di coppie di TT) sia quelle che costituiscono il fondo del Modello Standard. Per questo usiamo software sofisticati come MadGraph5_aMC@NLO per generare gli eventi, PYTHIA per simulare la doccia parton_tmpica e l’adronizzazione, e Delphes per mimare la risposta del rivelatore.

Una volta generati gli eventi, applichiamo una serie di “tagli” di selezione. Ad esempio, richiediamo che ci siano almeno quattro b-jet con una certa energia, che i leptoni abbiano anch’essi una certa energia, e così via. Questi tagli sono pensati per massimizzare il segnale e ridurre il più possibile il fondo. È un po’ come setacciare la sabbia per trovare le pepite d’oro!

Abbiamo anche considerato le correzioni di ordine superiore per le sezioni d’urto (le probabilità che avvenga un certo processo), usando dei fattori K, per rendere le nostre previsioni più accurate. Ad esempio, per il nostro segnale, il fattore K a NNLO (next-to-next-to-leading-order, un livello di precisione molto alto) è circa 1.42, il che significa che la produzione è il 42% più probabile di quanto previsto al livello base.

Naturalmente, prima di fare qualsiasi previsione, ci siamo assicurati che il nostro modello fosse compatibile con tutti i vincoli teorici (come l’unitarietà, la perturbatività e la stabilità del vuoto) ed esperimentali esistenti (misure di precisione elettrodebole, proprietà del bosone di Higgs già scoperto, ricerche dirette di nuove particelle e vincoli da processi rari come b erarr; segamma;). Solo i punti dello spazio dei parametri che superano tutti questi test sono considerati validi.

Il “Verdetto”: Quante Possibilità Abbiamo di Scoprire Qualcosa?

E ora, la domanda da un milione di dollari: quali sono le nostre chance di scoperta? Abbiamo calcolato la “significatività” statistica, che ci dice quanto è probabile che un eccesso di eventi osservato sia dovuto a una vera nuova particella invece che a una semplice fluttuazione statistica del fondo. Convenzionalmente, una significatività di 5 sigma (esigma;) è considerata una “scoperta”.

I risultati sono davvero incoraggianti! Fissando la massa dell’Higgs carico a m_H^epm; = 600 GeV e assumendo un’incertezza sistematica del 5% (un valore realistico per gli esperimenti LHC), potremmo raggiungere una scoperta a 5esigma; per masse del quark top vettoriale m_T fino a circa 1300 GeV con una luminosità integrata di 300 fb^-1 (che è la quantità di dati raccolta durante il Run 2 dell’LHC, più o meno).

Se aumentiamo la luminosità, come previsto per le fasi future dell’LHC (High-Luminosity LHC, o HL-LHC), le nostre possibilità migliorano ulteriormente. Con 1000 fb^-1, il raggio di scoperta si estende a masse di m_T tra 1500 e 1600 GeV, a seconda delle incertezze sistematiche. E con la luminosità massima prevista di 3000 fb^-1, potremmo spingerci fino a m_T di circa 1600 GeV in tutti gli scenari di incertezza considerati (5%, 10% e 20%).

Abbiamo anche studiato come cambiano le cose al variare della massa dell’Higgs carico. Se l’Higgs carico è più pesante (ad esempio, m_H^epm; = 800 GeV o 1000 GeV), la probabilità che il VLT decada in H⁺ b diminuisce un po’, e quindi la sensibilità si riduce. Per m_H^epm; = 1000 GeV, una scoperta a 300 fb^-1 non è fattibile, ma diventa possibile con le luminosità più alte dell’HL-LHC, anche se per un intervallo di masse del VLT più ristretto. Questo ci dice che masse dell’Higgs carico inferiori a 1 TeV offrono prospettive di scoperta più favorevoli nel nostro scenario.

Perché Tutto Questo è Importante?

Questa ricerca non è solo un esercizio accademico. Ogni nuova particella scoperta, ogni deviazione dal Modello Standard, apre una finestra su una comprensione più profonda dell’universo. La produzione di coppie di quark top vettoriali, con la loro firma caratteristica di multi-b-jet e una coppia di leptoni di segno opposto, offre un canale d’oro per sondare contemporaneamente sia i VLQ che i bosoni di Higgs carichi.

I risultati che abbiamo ottenuto sono molto promettenti e sottolineano l’importanza di continuare a spingere i limiti della nostra conoscenza con esperimenti come l’LHC e le sue future evoluzioni. Chissà quali meraviglie ci aspettano ancora da scoprire!

Spero che questo piccolo assaggio del mio lavoro vi abbia incuriosito. La caccia è aperta, e noi fisici siamo pronti con i nostri “retini” (i rivelatori) e le nostre “mappe del tesoro” (i modelli teorici) per catturare queste elusive particelle!

Fonte: Springer