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Cercare le prove della nuova fisica

Il bosone di Higgs è una particella elementare, confermata nel 2012, che completa il modello standard utilizzato per studiare le particelle elementari e le loro interazioni. Tuttavia, misurazioni più precise del modello standard possono suggerire una nuova fisica, come studiato da HEFTinLOOPS.

Ricerca di base

Il modello standard (MS) è una teoria che incorpora la conoscenza relativa alle particelle elementari e le loro interazioni. Il grande anello di collisione per adroni (Large Hadron Collider, LHC) in Svizzera sta attualmente effettuando prove di stress sul MS, misurando con precisione le reazioni tra particelle diverse. Queste misurazioni sono paragonate con le previsioni del MS per identificare deviazioni che potrebbero dimostrare la nuova fisica (oltre il MS). La nuova fisica può essere esaminata anche quando le nuove particelle sono troppo pesanti per essere prodotte direttamente dalle collisioni, che modificano le interazioni delle particelle già conosciute. Misurando con precisione queste interazioni, i ricercatori possono ricavare le prime tracce della nuova fisica. Il progetto HEFTinLOOPS, supportato dall’UE, ha utilizzato il quadro teorico conosciuto come Teoria dei campi efficace (EFT, Effective Field Theory) per elaborare il potenziale impatto di particelle pesanti non scoperte sui vari processi di produzione dei bosoni di Higgs e dei quark alti, misurati dall’LHC. Dal momento che il quark alto e il bosone di Higgs sono le due particelle elementari più pesanti, nonché quelle con le interazioni meno comprese, esse svolgono un ruolo cruciale nelle teorie della nuova fisica. Il progetto, condotto con il supporto del programma Marie Skłodowska-Curie, ha fornito previsioni teoriche per il programma dell’LHC sulla Teoria dei campi efficace del modello standard (SMEFT, Standard Model Effective Field Theory). Esso ha sviluppato gli strumenti necessari a sperimentatori e teorici per l’attività. HEFTinLOOPS ha inoltre fornito calcoli precisi per diversi processi di dispersione delle particelle, concentrandosi sulla produzione di quark top e bosoni di Higgs, nonché sull’interpretazione delle misure dell’LHC all’interno dell’SMEFT.

Calcoli precisi

HEFTinLOOPS si propone di prevedere come cambierebbe la probabilità di produrre una particella di Higgs o di quark alto nell’LHC se esistesse qualcuna delle particelle pesanti non ancora scoperte. A tal fine, il progetto ha dovuto sviluppare innanzitutto le tecniche e i codici informatici necessari per previsioni precise che avrebbero consentito l’estrazione delle informazioni su queste particelle. Per eseguire questi calcoli, HEFTinLOOPS ha sviluppato i componenti di un generatore Monte Carlo. Si tratta di un codice informatico che prevede la frequenza di un processo di diffusione in un collisore di atomi. Attraverso ciò, è possibile quindi calcolare l’impatto delle nuove interazioni sui tassi di produzione del bosone di Higgs o del quark alto. I ricercatori hanno tenuto in considerazione diversi modi per produrre la particella di Higgs, tra cui un bosone di Higgs associato a un quark alto, con spruzzi di QCD e un bosone vettore, nonché una produzione doppia del bosone di Higgs. Tutti questi processi sono importanti perché offrono informazioni approfondite su come la particella di Higgs interagisca con le altre particelle del MS e con se stessa. «Il progetto ha coinvolto numerosi calcoli analitici, ma anche la codifica di nuovi risultati all’interno di strumenti informatici. Si è trattato di un obiettivo importante, poiché ha reso disponibili i risultati per l’intera comunità fisica del collisore», spiega Eleni Vryonidou, borsista Marie Skłodowska-Curie. Paragonando le previsioni teoriche per la produzione di quark alti con i dati dell’LHC, il progetto non ha rinvenuto deviazioni significative dalle previsioni del MS, ma definendo vincoli più severi per le interazioni di nuovi quark alti, ha agevolato la ricerca della nuova fisica.

Verso la nuova fisica

HEFTinLOOPS ha prodotto i primi strumenti computazionali precisi e necessari, tenendo conto delle incertezze, delle diverse previsioni per la produzione di bosoni di Higgs e quark alti nell’LHC, all’interno del quadro della Teoria dei campi efficace. I risultati teorici del progetto e gli strumenti associati sono già stati ampiamente impiegati dalla più grande comunità fisica delle particelle per interpretare le proprie misurazioni, aiutando gli scienziati a individuare la portata e la natura della nuova fisica. «HEFTinLOOPS migliora la nostra comprensione circa i costituenti più piccoli della materia e le loro interazioni, contribuendo a rispondere ad alcune delle domande più fondamentali della natura», afferma Vryonidou. Seguendo le tracce del paragone fra le previsioni del MS per la produzione di quark alti e le misurazioni dell’LHC, il prossimo passo sarà ripetere lo stesso per il bosone di Higgs.

Parole chiave

HEFTinLOOPS, nuova fisica, bosone di Higgs, quark alto, modello standard, grande collisore di adroni, teoria dei campi efficace, particelle, collisioni

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