Au cours des 11 années qui se sont écoulées depuis sa découverte au Grand collisionneur de hadrons (LHC), le boson de Higgs est devenu une voie centrale pour faire la lumière sur la structure fondamentale de l’univers. Les mesures précises des propriétés de cette particule spéciale font partie des outils les plus puissants dont disposent les physiciens pour tester le modèle standard, actuellement la théorie qui décrit le mieux le monde des particules et leurs interactions. Au Conférence sur les photons de Lepton cette semaine, la collaboration ATLAS a rapporté comment elle a mesuré la masse du boson de Higgs avec plus de précision que jamais auparavant.
La masse du boson de Higgs n’est pas prédite par le modèle standard et doit donc être déterminée par des mesures expérimentales. Sa valeur régit les forces des interactions du boson de Higgs avec les autres particules élémentaires ainsi qu’avec lui-même. Une connaissance précise de ce paramètre fondamental est la clé de calculs théoriques précis qui, à leur tour, permettent aux physiciens de confronter leurs mesures des propriétés du boson de Higgs aux prédictions du modèle standard. Des écarts par rapport à ces prédictions signaleraient la présence de phénomènes nouveaux ou inexpliqués. La masse du boson de Higgs est également un paramètre crucial pour l’évolution et la stabilité du vide de l’univers.
Les collaborations ATLAS et CMS réalisent des mesures toujours plus précises de la masse du boson de Higgs depuis la découverte de la particule. La nouvelle mesure ATLAS combine deux résultats : une nouvelle mesure de masse du boson de Higgs basée sur une analyse de la désintégration de la particule en deux photons de haute énergie (le « canal diphotonique ») et une mesure de masse antérieure basée sur une étude de sa désintégration en quatre leptons (le « canal à quatre leptons »).
La nouvelle mesure dans le canal diphoton, qui combine les analyses des ensembles de données complets d’ATLAS des Runs 1 et 2 du LHC, a donné une masse de 125,22 milliards d’électronvolts (GeV) avec une incertitude de seulement 0,14 GeV. Avec une précision de 0,11 %, ce résultat du canal diphotonique est la mesure la plus précise à ce jour de la masse du boson de Higgs à partir d’un seul canal de désintégration.
Par rapport à la précédente mesure ATLAS dans ce canal, le nouveau résultat bénéficie à la fois de l’ensemble complet de données ATLAS Run 2, qui a réduit l’incertitude statistique d’un facteur deux, et d’améliorations spectaculaires de l’étalonnage des mesures d’énergie photonique, qui ont réduit l’incertitude systématique de près d’un facteur quatre à 0,09 GeV.
« Les techniques d’étalonnage avancées et rigoureuses utilisées dans cette analyse ont été essentielles pour pousser la précision à un niveau sans précédent », a déclaré Stefano Manzoni, responsable du sous-groupe d’étalonnage électron-photon d’ATLAS. « Leur développement a pris plusieurs années et a nécessité une compréhension approfondie du détecteur ATLAS. Ils bénéficieront également grandement aux analyses futures. »
Lorsque les chercheurs d’ATLAS ont combiné cette nouvelle mesure de masse dans le canal diphotonique avec la mesure de masse antérieure dans le canal à quatre leptons, ils ont obtenu une masse de boson de Higgs de 125,11 GeV avec une incertitude de 0,11 GeV. Avec une précision de 0,09%, c’est la mesure la plus précise à ce jour de ce paramètre fondamental.
« Cette mesure très précise est le résultat de l’investissement sans relâche de la collaboration ATLAS dans l’amélioration de la compréhension de nos données », a déclaré le porte-parole d’ATLAS, Andreas Hoecker. « De puissants algorithmes de reconstruction associés à des étalonnages précis sont les ingrédients déterminants des mesures de précision. La nouvelle mesure de la masse du boson de Higgs ajoute à la cartographie de plus en plus détaillée de ce nouveau secteur critique de la physique des particules. »