La découverte du boson de Higgs au Grand collisionneur de hadrons (LHC) du CERN en 2012 a marqué une étape importante dans la physique des particules. Depuis lors, les collaborations ATLAS et CMS ont étudié avec diligence les propriétés de cette particule unique et cherché à établir les différentes manières dont elle est produite et se désintègre en d’autres particules.
Au Conférence LHCP (Large Hadron Collider Physics) cette semaine, ATLAS et CMS rapportent comment ils se sont associés pour trouver la première preuve du processus rare dans lequel le boson de Higgs se désintègre en un boson Z, le porteur électriquement neutre de la force faible, et un photon, le porteur de la force électromagnétique . Cette désintégration du boson de Higgs pourrait fournir une preuve indirecte de l’existence de particules au-delà de celles prédites par le modèle standard de la physique des particules.
La désintégration du boson de Higgs en un boson Z et un photon est similaire à celle d’une désintégration en deux photons. Dans ces processus, le boson de Higgs ne se désintègre pas directement en ces paires de particules. Au lieu de cela, les désintégrations procèdent via une « boucle » intermédiaire de particules « virtuelles » qui apparaissent et disparaissent et ne peuvent pas être directement détectées. Ces particules virtuelles pourraient inclure de nouvelles particules encore inconnues qui interagissent avec le boson de Higgs.
Le modèle standard prédit que, si le boson de Higgs a une masse d’environ 125 milliards d’électronvolts, environ 0,15 % des bosons de Higgs se désintégreront en un boson Z et un photon. Mais certaines théories qui étendent le modèle standard prédisent un taux de décroissance différent. La mesure du taux de désintégration fournit donc des informations précieuses sur la physique au-delà du modèle standard et sur la nature du boson de Higgs.
Auparavant, en utilisant les données des collisions proton-proton au LHC, ATLAS et CMS ont mené indépendamment des recherches approfondies sur la désintégration du boson de Higgs en un boson Z et un photon. Les deux recherches ont utilisé des stratégies similaires, identifiant le boson Z par ses désintégrations en paires d’électrons ou de muons, des versions plus lourdes des électrons. Ces désintégrations du boson Z surviennent dans environ 6,6 % des cas.
Dans ces recherches, les événements de collision associés à cette désintégration du boson de Higgs (le signal) seraient identifiés comme un pic étroit, sur un arrière-plan lisse d’événements, dans la distribution de la masse combinée des produits de désintégration. Pour améliorer la sensibilité à la désintégration, ATLAS et CMS ont exploité les modes les plus fréquents de production du boson de Higgs et ont classé les événements en fonction des caractéristiques de ces processus de production. Ils ont également utilisé des techniques avancées d’apprentissage automatique pour mieux distinguer les événements de signal et de fond.
Dans une nouvelle étude, ATLAS et CMS ont maintenant uni leurs forces pour maximiser le résultat de leur recherche. En combinant les ensembles de données collectés par les deux expériences lors de la deuxième période d’exploitation du LHC, qui s’est déroulée entre 2015 et 2018, les collaborations ont considérablement augmenté la précision statistique et la portée de leurs recherches.
Cet effort de collaboration a abouti à la première preuve de la désintégration du boson de Higgs en un boson Z et un photon. Le résultat a une signification statistique de 3,4 écarts-types, ce qui est inférieur à l’exigence conventionnelle de 5 écarts-types pour revendiquer une observation. Le taux de signal mesuré est de 1,9 écart-type au-dessus de la prédiction du modèle standard.
« Chaque particule a une relation particulière avec le boson de Higgs, ce qui fait de la recherche de désintégrations rares de Higgs une priorité élevée », explique Pamela Ferrari, coordinatrice de la physique d’ATLAS. « Grâce à une combinaison méticuleuse des résultats individuels d’ATLAS et de CMS, nous avons fait un pas en avant vers la résolution d’une autre énigme du boson de Higgs. »
« L’existence de nouvelles particules pourrait avoir des effets très significatifs sur les modes de désintégration rares du Higgs », déclare Florencia Canelli, coordinatrice physique de CMS. « Cette étude est un test puissant du modèle standard. Avec la troisième exploitation en cours du LHC et le futur LHC à haute luminosité, nous serons en mesure d’améliorer la précision de ce test et de sonder des désintégrations de Higgs de plus en plus rares.