Bóson de Higgs: nosso passaporte para o vale oculto da nova física em Next

Por Institute of Nuclear Physics PAN 23 de maio de 2023

Cientistas do Instituto de Física Nuclear da Academia Polonesa de Ciências propõem que o bóson de Higgs pode interagir com a 'nova física' por meio de decaimento em partículas exóticas, de acordo com os modelos do 'Vale Oculto'. Esses modelos sugerem que os futuros aceleradores de partículas poderiam observar esse decaimento exótico, potencialmente abrindo caminho para a compreensão de uma nova física além do nosso atual Modelo Padrão.

Pode ser que o famoso bóson de Higgs, co-responsável pela existência de massas de partículas elementares, também interaja com o mundo da nova física que se busca há décadas. Se este fosse realmente o caso, o Higgs deveria decair de forma característica, envolvendo partículas exóticas. No Instituto de Física Nuclear da Academia Polonesa de Ciências em Cracóvia, foi demonstrado que, se tais decaimentos realmente ocorrerem, eles serão observáveis ​​nos sucessores do LHC atualmente em projeto.

Ao falar sobre o 'vale escondido', nossos primeiros pensamentos são de dragões em vez de ciência sólida. No entanto, na física de altas energias, esse nome pitoresco é dado a certos modelos que ampliam o conjunto de partículas elementares atualmente conhecidas. Nesses chamados modelos do Vale Oculto, as partículas do nosso mundo, conforme descritas pelo Modelo Padrão, pertencem ao grupo de baixa energia, enquanto as partículas exóticas estão escondidas na região de alta energia. Considerações teóricas sugerem então o decaimento exótico do famoso bóson de Higgs, algo que não foi observado no acelerador LHC apesar de muitos anos de pesquisa. No entanto, cientistas do Instituto de Física Nuclear da Academia Polonesa de Ciências (IFJ PAN) em Cracóvia argumentam que o decaimento de Higgs em partículas exóticas já deveria ser perfeitamente observável em aceleradores sucessores do Grande Colisor de Hádrons – se os modelos do Vale Oculto virarem para ser consistente com a realidade.

"Nos modelos de Hidden Valley, temos dois grupos de partículas separadas por uma barreira de energia. A teoria é que poderia haver partículas massivas exóticas que poderiam atravessar essa barreira em circunstâncias específicas. As partículas como o bóson de Higgs ou o hipotético bóson Z' agiriam como comunicadores entre as partículas de ambos os mundos. O bóson de Higgs, uma das partículas mais massivas do Modelo Padrão, é um candidato muito bom para tal comunicador", explica o Prof. Marcin Kucharczyk (IFJ PAN), principal autor de um artigo na o Journal of High Energy Physics, que apresenta as mais recentes análises e simulações sobre a possibilidade de detectar decaimentos do bóson de Higgs nos futuros aceleradores de leptões.

O comunicador, depois de passar para a região de baixa energia, decairia em duas partículas exóticas massivas. Cada uma delas, em picossegundos – ou seja, trilionésimos de segundo – decairia em outras duas partículas, com massas ainda menores, que estariam então dentro do Modelo Padrão. Então, quais sinais seriam esperados nos detectores de futuros aceleradores? O próprio Higgs permaneceria despercebido, assim como as duas partículas do Vale Oculto. No entanto, as partículas exóticas divergiam gradualmente e eventualmente decaíam, geralmente em belos pares de quark-antiquark visíveis em detectores modernos à medida que jatos de partículas se deslocavam do eixo do feixe de leptões.

A busca pelo exótico bóson de Higgs decai em futuros colisores de léptons: 1) um elétron e um pósitron de feixes opostos colidem; 2) a colisão produz um bóson de Higgs de alta energia; 3) o bóson decai em duas partículas exóticas afastando-se do eixo dos feixes; 4) partículas exóticas decaem em pares de quark-antiquark, visíveis aos detectores. Crédito: IFJ PAN

"As observações dos decaimentos do bóson de Higgs consistiriam, portanto, em procurar os jatos de partículas produzidos por pares quark-antiquark. Suas trilhas teriam então que ser reconstruídas retrospectivamente para encontrar os lugares onde as partículas exóticas provavelmente decaíram. Esses lugares, chamados profissionalmente vértices de decaimento, devem aparecer em pares e ser caracteristicamente deslocados em relação ao eixo dos feixes em colisão no acelerador. O tamanho dessas mudanças depende, entre outras coisas, das massas e do tempo de vida médio das partículas exóticas que aparecem durante o decaimento de Higgs," diz Mateusz Goncerz, M.Sc. (IFJ PAN), co-autor do artigo em questão.