Le boson de Higgs, la particule subatomique fondamentale associée au champ de Higgs, a été découvert pour la première fois en 2012 dans le cadre des expériences ATLAS et CMS, qui analysent toutes deux les données recueillies au Grand collisionneur de hadrons (LHC) du CERN, l’accélérateur de particules le plus puissant qui existe. . Depuis la découverte du boson de Higgs, des équipes de recherche du monde entier tentent de mieux comprendre les propriétés et les caractéristiques de cette particule unique.
La collaboration CMS, le grand groupe de chercheurs impliqués dans l’expérience CMS, a récemment obtenu une mesure actualisée de la largeur du boson de Higgs, tout en recueillant les premières preuves de ses contributions hors coquille à la production de paires de bosons Z. Leurs conclusions, publiées dans Physique naturellesont conformes aux prédictions du modèle standard.
« La description théorique quantique des particules fondamentales est de nature probabiliste, et si vous considérez tous les différents états d’une collection de particules, leurs probabilités doivent toujours totaliser 1, que vous regardiez cette collection maintenant ou plus tard », a déclaré Ulascan. Sarica, chercheur pour la collaboration CMS, a déclaré à Phys.org. « Lorsqu’elle est analysée mathématiquement, cette simple déclaration impose des restrictions, les soi-disant limites d’unitarité, sur les probabilités d’interactions de particules à haute énergie. »
Depuis les années 1970, les physiciens ont prédit que lorsque des paires de bosons vecteurs lourds Z ou W sont produites, les restrictions typiques aux hautes énergies seraient violées, à moins qu’un boson de Higgs ne contribue à la production de ces paires. Au cours des dix dernières années, les calculs de physique théorique ont montré que l’occurrence de ces contributions du boson de Higgs aux hautes énergies devrait être mesurable à l’aide des données existantes collectées par le LHC.
« D’autres recherches ont montré que la largeur de désintégration totale du boson de Higgs, qui est inversement proportionnelle à sa durée de vie et prédite dans le modèle standard comme étant particulièrement petite (4,1 méga-électrons volts de largeur, ou 1,6 × 10-22 secondes en durée de vie) peut être déterminée à l’aide de ces événements à haute énergie avec une précision au moins cent fois meilleure que d’autres techniques limitées par la résolution du détecteur (1000 méga-électrons volts dans les mesures de largeur totale et 1,9 × 10-13 secondes dans les mesures de durée de vie), » Sarica a expliqué.
« Pour ces raisons, notre article avait deux objectifs : rechercher la présence de contributions du boson de Higgs à la production de dibosons lourds à haute énergie, et mesurer la largeur de désintégration totale du boson de Higgs aussi précisément que possible via ces contributions. »
Dans le cadre de leur étude récente, la collaboration CMS a analysé certaines des données collectées entre 2015 et 2018, dans le cadre de la deuxième campagne de collecte de données du LHC. Ils se sont spécifiquement concentrés sur les événements caractérisés par la production de paires de bosons Z, qui se sont ensuite désintégrés en quatre leptons chargés (c’est-à-dire des électrons ou des muons) ou en deux leptons chargés et deux neutrinos.
Des analyses expérimentales passées suggèrent que ces deux modèles uniques sont les plus sensibles à la production de paires lourdes de bosons à haute énergie. En analysant les événements qui correspondaient à ces modèles, l’équipe espérait donc recueillir des résultats plus clairs et plus fiables.
« Nous avons observé la première preuve des contributions du boson de Higgs dans la production de paires de bosons Z à haute énergie avec une signification statistique de plus de 3 écarts-types », a déclaré Li Yuan, un autre membre de la collaboration CMS, à Phys.org. « Le résultat soutient fortement le mécanisme de rupture de symétrie électrofaible spontanée, qui préserve l’unitarité dans la production de dibosons lourds à hautes énergies. »
En plus de recueillir des preuves des contributions du boson de Higgs à la production de ZZ, la collaboration CMS a pu améliorer de manière significative les mesures existantes de la largeur ou de la durée de vie totale de la désintégration du boson de Higgs. La mesure qu’ils ont recueillie était considérée comme inaccessible il y a 10 ans, étant donné la faible largeur de la particule (c’est-à-dire 4,1 méga-électron-volts selon les prédictions du modèle standard de la physique des particules).
« Notre résultat pour cette mesure est de 3,2 méga-électron-volts avec une erreur supérieure de 2,4 méga-électron-volts et une erreur inférieure de 1,7 méga-électron-volts », a déclaré Yuan. « Ce résultat est conforme aux attentes du modèle standard jusqu’à présent, mais il y a encore de la place pour qu’une mesure future avec une précision encore plus grande puisse s’écarter de la prédiction. »
Les travaux récents de la collaboration CMS offrent de nouvelles perspectives sur les propriétés du boson de Higgs, tout en soulignant sa contribution à la production de paires de bosons Z. Dans leurs prochaines études, les chercheurs prévoient de poursuivre leur exploration de cette fascinante particule subatomique en utilisant de nouvelles données collectées au LHC et des techniques d’analyse avancées.
« Alors que nos résultats ont atteint une signification statistique au-delà du seuil de 3 écarts-types, généralement pris comme preuve dans la communauté de la physique des particules, davantage de données sont nécessaires pour pouvoir atteindre le seuil de 5 écarts-types afin de revendiquer une découverte », dit Sarica.
La troisième campagne de collecte de données du LHC a débuté cette année et devrait se poursuivre jusqu’à la fin de 2025. Sarica, Yuan et le reste de la collaboration CMS ont déjà commencé les préparatifs qui leur permettront de mesurer la largeur du boson de Higgs avec une précision à l’aide des nouvelles données recueillies dans le cadre de ce troisième cycle de collecte de données.
« De plus, notre analyse CMS n’inclut pas encore l’analyse des événements à haute énergie avec quatre leptons chargés à partir des données de 2018, et les préparatifs sont en cours pour son inclusion dans une mise à jour », a ajouté Sarica.
« Les résultats préliminaires récents de la collaboration ATLAS, présentés le 9 novembre lors de la conférence Higgs 2022, fournissent également une confirmation indépendante des preuves trouvées par CMS. Ainsi, une fois leurs résultats soumis à un examen par les pairs, nous espérons que les deux collaborations pourront discuter de la manière dont le deux analyses peuvent être combinées pour fournir les meilleures mesures des contributions du boson de Higgs à haute énergie et de sa largeur totale. »
Plus d’information:
La Collaboration CMS , Mesure de la largeur du boson de Higgs et mise en évidence de ses contributions hors enveloppe à la production de ZZ, Physique naturelle (2022). DOI : 10.1038/s41567-022-01682-0
Conférence: indico.cern.ch/event/1086716/
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