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First observation of the Higgs boson decaying to b-quarks

Great success for the ATLAS experiment: the favored decay of the Higgs boson in a pair of b quarks observed for the first time. The observation of this decay mode and the measurement of its decay rate are mandatory steps to understand the mechanism that gives rise to the mass of particles.
The distribution of the invariant mass reconstructed from the b quark pair. Data points (black dots) are compared to theory expectation (in red)

10.1016/j.physletb.2018.09.013
Links:

DIFA Authos/Other Authors: Gruppo ATLAS di Bologna:

 

Great success for the ATLAS experiment: six years after its discovery, 30% of the Higgs boson decays predicted in the Standard Model were observed. However, the favored decay in a pair of b quarks, which is expected to account for almost 60% of all possible decays, had remained elusive up to now.

The discovery of the Higgs boson in 2012 via its decays into photons, Z and W pairs was a triumph of the theory known as the Standard Model. In fact, the Standard Model was constructed by hypothesizing a mechanism (the Brout-Englert-Higgs mechanism) which introduce a field responsible for the mass of vector bosons (W and Z) that otherwise would not be explainable from a theoretical point of view. The Higgs field can also be used to provide mass to charged fermions (quarks and leptons) through interactions involving “Yukawa couplings”, with strengths proportional to particle masses. The observation of the Higgs boson decay in pairs of τ-leptons provided the first evidence of this type of interaction, but the process of decay in pairs of quarks had, until now, never been observed.

Although the b quark pair is the preferred decay process of the Higgs boson, according to the Standard Model, with a probability of about 58%, its observation is very difficult on the experimental point of view. In fact, the most copious production process for the Higgs boson in proton-proton interactions leads to a pair of particle jets originating from the fragmentation of b-quarks. These are almost impossible to distinguish from the verwhelming background of b-quark pairs produced via the strong interaction (quantum chromodynamics or QCD).

To overcome this challenge, it was necessary to consider production processes that are less copious, but exhibit features not present in QCD. The most sensitive production channel for the study of this decay is the production of the Higgs boson in association with a vector boson (V= W or Z).

The analyzed data were collected in proton-proton collisions in Run 2 of the Large Hadron Collider (2015 -17) at a center-of-mass energy of 13 TeV and the observation statistical significance is of about 4.9 σ (standard deviation equivalent). This result was combined with those from a similar analysis of Run 1 data  (2012) and from other searches by ATLAS for the H→bb decay mode, namely where the Higgs boson is produced in association with a top quark pair or via a process known as vector boson fusion (VBF). The significance achieved by this combination is 5.4 σ.

Observing this decay mode and measuring its rate was a mandatory step to confirm (or disprove) the mechanism that gives rise to the mass of particles.

Prima osservazione del decadimento del bosone di Higgs in coppie di quark b

L'esperimento ATLAS ha effettuato la prima osservazione del decadimento del bosone di Higgs in una coppia di quark bottom ed anti-bottom.
Questa osservazione apre la strada allo studio dettagliato dell'iterazione fra il bosone di Higgs ed il quark b e rappresenta un passo in avanti verso la comprensione del meccanismo che dà origine alla massa delle particelle.

Nuovo grande successo per l'esperimento ATLAS che ha comunicato la prima osservazione del decadimento del bosone di Higgs in una coppia di quark bottom ed anti-bottom (bb).

La scoperta del bosone di Higgs, avvenuta nel 2012 tramite l’osservazione del decadimento in coppie di fotoni o di bosoni vettori, è stato un trionfo della teoria conosciuta con il nome di Modello Standard. Il trionfo è dovuto al fatto che il Modello Standard è stato costruito ipotizzando un meccanismo, chiamato di Brout-Englert-Higgs, responsabile della massa dei bosoni vettori (W e Z) che altrimenti non sarebbe spiegabile dal punto di vista teorico.

Lo stesso campo di Higgs è in grado di fornire massa anche alle particelle cariche di tipo fermionico (quark e leptoni) interagendo con le stesse attraverso l’interazione descritta da Yukawa, la cui intensità è proporzionale alla massa delle particelle con cui si accoppia. L’osservazione del decadimento del Bosone di Higgs in coppie di leptoni t ha fornito la prima evidenza di questo tipo di interazione, ma il processo di decadimento in coppie di quark non era, fino ad ora, mai stato osservato.

Sebbene quello in coppie di quark b sia il principale processo di decadimento del bosone di Higgs secondo il Modello Standard, con una probabilità di avvenire di circa il 58%, l’osservazione a livello sperimentale è molto difficile in quanto la stessa interazione protone-protone che porta alla produzione del bosone H genera, al tempo stesso, dei fiotti di particelle (jet) provenienti dalla frammentazione di quark b. È quindi molto difficile distinguere il segnale cercato dal normale flusso di jet provenienti dalle coppie di quark b, prodotti nell’urto di due protoni, dall’interazione forte (QCD). Pertanto, per ovviare a questo problema, è stato necessario studiare un processo meno frequente, ma più facile da identificare.

Il canale di produzione più sensibile per lo studio di questo decadimento è la produzione del bosone di Higgs in associazione con un bosone vettore (V= W o Z). Sono state utilizzate le collisioni raccolte durante la presa dati in corso (2015-2018), dove i protoni di LHC collidono all'energia di 13 TeV unitamente ai dati raccolti nei periodi precedenti (2010-2012) con collisioni a 7 ed 8 TeV.

Questa osservazione apre la strada allo studio dettagliato dell'interazione fra il bosone di Higgs ed il quark bottom e rappresenta un passo in avanti verso la comprensione del meccanismo che dà origine alla massa delle particelle.

I gruppi italiani che hanno contribuito in maniera diretta allo studio VH(bb) sono: Bologna, Cosenza, Pisa e Roma-La Sapienza.