Ricerca del bosone di Higgs nei modelli supersimmetrici al Large Hadron Collider con l'esperimento ATLAS

L'oggetto di questo lavoro é uno studio sull'osservabilità del bosone neutro scalare h dell'estensione Supersimmetrica Minimale del Modello Standard (MSSM) con l'esperimento ATLAS, che opererà al collisore adronico LHC (Large Hadron Collider) presso il Centro Europeo per la Ricerca Nucleare (CERN) a partire dal 2007. Il Modello Standard di Glashow, Weinberg e Salam costituisce la teoria delle interazioni fondamentali stabilmente confermata dagli esperimenti finora condotti. Per formulare tale teoria in maniera consistente é necessario introdurre il campo di Higgs, che permette alle particelle del Modello Standard di essere debolmente interagenti fino ad energie di O(1 TeV) preservando l'unitarietà delle ampiezze di scattering. Le interazioni del campo di Higgs con le altre particelle sono determinate dalla richiesta di unitarietà. Il modello minimale richiede la presenza di un bosone neutro scalare di Higgs, i cui accoppiamenti sono determinati dalla teoria e dipendono dalla massa di tale particella. Nel corso degli anni la confidenza nel Modello Standard é stata avvalorata dalle misure di precisione delle proprietà delle particelle e delle loro interazioni, ma resta ancora un'ultima cruciale prova: l'osservazione diretta del bosone di Higgs e quindi la misura della sua massa. Tuttavia dal punto di vista teorico il Modello Standard ha alcune limitazioni in quanto non contiene una descrizione delle interazioni gravitazionali e non può essere esteso ad energie arbitrariamente alte perchè presenterebbe delle divergenze. I modelli superimmetrici, ed in particolare l'estensione Supersimmetrica Minimale del Modello Standard (MSSM), sono i candidati favoriti per una teoria delle interazioni fondamentali consistente con le osservazioni sperimentali attuali e scevra dei problemi del Modello Standard. Elemento fondamentale di tali modelli é l'introduzione di una nuova simmetria tra i due tipi di particelle esistenti: bosoni e fermioni. In tali modelli il settore di Higgs viene esteso a cinque particelle (due cariche, H+ ed H-, e tre neutre, il bosone pseudoscalare A, ed i bosoni scalari H ed h). Nel modello MSSM, all'ordine più basso dello sviluppo perturbativo, le masse e gli accoppiamenti del settore di Higgs sono fissati da due soli parametri. Una scelta possibile é la massa del bosone di Higgs scalare h, m_h, ed il rapporto dei valori d'aspettazione nel vuoto delle componenti neutre dei due campi di Higgs, tan(beta). Gli esperimenti al collisore LEP, che ha operato ad energie nel centro di massa da 91 GeV fino a 209 GeV, non hanno trovato alcuna evidenza di segnale da Higgs supersimmetrici, ma si sono limitati ad escludere alcune regioni dello spazio dei parametri del modello MSSM. In particolare sono stati posti i seguenti limiti sulle masse dei bosoni h ed A: m_h > 91.0 GeV e m_A > 91.9 GeV al 95% CL ed é stato escluso l'intervallo: 0.5 < tan(beta) < 2.4 . Ricerche dei bosoni di Higgs sono state condotte anche sui dati finora raccolti dagli esperimenti CDF e D0 al collisore protone-antiprotone Tevatron, che fornisce un'energia nel centro di massa pari a 1.8 TeV, permettendo di escludere un'ulteriore regione dello spazio dei parametri del modello MSSM ad alto tan(beta) (> 50).Il nuovo collisore protone-protone LHC opererà ad energie nel centro di massa di 14 TeV, permettendo di estendere la ricerca dell'Higgs fino ad energie dell'ordine di 1 TeV, pari al limite imposto dalla teoria sulla massa del bosone di Higgs del Modello Standard. Il processo pp -> b anti-b h -> b anti-b mu+ mu- permetterà di accedere alla zona dello spazio dei parametri del modello MSSM non ancora esplorata. Lo studio sull'osservabilità di tale canale con l'esperimento ATLAS descritto in questo lavoro si riferisce allo scenario m_h-max del modello MSSM, disegnato per produrre il massimo valore possibile per m_h, che può raggiungere i 130 GeV. L'analisi é stata condotta su campioni di dati ottenuti dal programma di simulazione approssimata dell'apparato ATLAS; é stata individuata la regione dello spazio dei parametri (m_h e tan(beta)) accessibile all'esperimento ATLAS tramite tale processo e sono state studiate le strategie di estrazione del segnale dal fondo. L'utilizzo combinato del rivelatore interno e dello spettrometro per muoni per l'identificazione e la misura dei jets b e dei mu fornirà la sensibilità necessaria ad una eventuale scoperta o all'esclusione del bosone neutro h nella regione 15 < tan(beta) < 50 ed 95 GeV < m_h < 125 GeV. L'affidabilità della simulazione approssimata per lo studio di tale processo é stata confermata dallo studio comparato delle prestazioni dell'apparato ATLAS condotto su due campioni di dati relativi al processo pp -> b anti-b h -> b anti-b mu+ mu- , ottenuti rispettivamente dal programma di simulazione approssimata e dal programma di simulazione dettagliata del rivelatore. Tale studio ha inoltre permesso di valutare le accettanze, le efficienze di ricostruzione e le risoluzioni in massa aspettate per il rivelatore interno e lo spettrometro per muoni. La combinazione delle misure provenienti da questi due rivelatori permette di raggiungere una risoluzione in massa pari a 1.55 +- 0.03 GeV con un'efficienza di ricostruzione ed un'accettanza geometrica del 74% circa nel caso m_h=100 GeV e tan(beta) = 20.