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Des expériences du LHC relèvent pour la première fois des indices probants d'une désintégration rare du boson de Higgs

Les collaborations ATLAS et CMS ont uni leurs forces pour arriver à relever les premiers indices probants d'une désintégration rare du boson de Higgs en un boson Z et un photon

Candidate events from ATLAS (left) and CMS (right) for a Higgs boson decaying into a Z boson and a photon, with the Z boson decaying into a pair of muons. (Image: CERN)

Événements candidats pour la désintégration d’un boson de Higgs en un boson Z et un photon, le boson Z se désintégrant à son tour en une paire de muons, enregistrés par les expériences ATLAS (à gauche) et CMS (à droite). (Image : CERN)

La découverte, en 2012, du boson de Higgs au Grand collisionneur de hadrons (LHC), au CERN, a été un grand moment pour la physique des particules. Depuis, les collaborations ATLAS et CMS déploient tous leurs efforts pour étudier les propriétés de cette particule unique en son genre et déterminer comment elle est produite et comment elle se désintègre en d'autres particules.

Lors de la conférence sur la physique auprès du LHC (LHCP), cette semaine, les collaborations ATLAS et CMS ont rendu compte de leurs travaux conjoints qui leur ont permis de déceler les premiers indices probants d'un processus rare, la désintégration du boson de Higgs en un boson Z, particule neutre porteuse de la force faible, et un photon, porteur de la force électromagnétique. Cette désintégration du boson de Higgs pourrait constituer un indice indirect de l'existence de particules autres que 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 la désintégration en deux photons. Dans ces processus, le boson de Higgs ne se désintègre pas directement en ces paires de particules. La désintégration passe par une « boucle » intermédiaire de particules dites « virtuelles » qui surgissent puis disparaissent et ne peuvent pas être détectées directement. Ces particules virtuelles pourraient comprendre des particules encore inconnues capables d'interagir avec le boson de Higgs.

D'après les prédictions du Modèle standard, pour un boson de Higgs d’une masse proche de 125 milliards d'électronvolts, 0,15 % environ des bosons de Higgs vont se désintégrer en un boson Z et un photon. Cependant, certaines théories au-delà du Modèle standard prédisent un taux de désintégration différent pour ce canal. C'est pourquoi la mesure du taux de désintégration est intéressante aussi bien pour la physique au-delà du Modèle standard que pour la nature même du boson de Higgs.

Auparavant, en s'appuyant sur des données issues de collisions proton-proton au LHC, ATLAS et CMS avaient mené, indépendamment, des études poussées visant à rechercher la désintégration du boson de Higgs en un boson Z et un photon. Les deux collaborations avaient utilisé des stratégies similaires : le boson Z était identifié au moyen de ses désintégrations en paires d'électrons ou de muons (des versions plus lourdes des électrons). Ces désintégrations produisant des bosons Z surviennent dans environ 6,6 % des cas.

Dans ces études, les événements de collision associés à cette désintégration du boson de Higgs (le signal) étaient identifiés sous la forme d'un pic étroit se détachant sur un fond lisse d'événements, apparaissant dans la distribution de la masse combinée des produits de désintégration. Pour améliorer la sensibilité de la procédure à cette désintégration, les collaborations ATLAS et CMS ont exploité les modes de production les plus fréquents du boson de Higgs, et classé les événements en fonction des caractéristiques de ces processus de production. Elles ont également utilisé des techniques poussées d'apprentissage automatique pour arriver à mieux distinguer les véritables signaux du bruit de fond.

Dans une nouvelle étude, ATLAS et CMS ont maintenant uni leurs efforts pour optimiser les résultats de leur recherche. En combinant les ensembles de données recueillis par les deux expériences au cours de la deuxième période d'exploitation du LHC, qui s'est déroulée entre 2015 et 2018, les collaborations ont notablement accru la précision statistique et la puissance de leur recherche.

Cet effort de collaboration a permis d'aboutir aux premiers indices probants de la désintégration du boson de Higgs en un boson Z et un photon. Ce résultat a une signification statistique de 3,4 écarts-types, ce qui est inférieur au seuil de 5 écarts-types requis par convention pour qu'il soit possible de revendiquer une observation en physique des particules. La fréquence mesurée pour ce signal se situe 1,9 écart-type au-dessus de la prédiction du Modèle standard.

« Chaque particule a une relation spéciale avec le boson de Higgs, si bien que la recherche de désintégrations rares de cette particule constitue une priorité, explique Pamela Ferrari, coordinatrice pour la physique à ATLAS. Grâce à une combinaison minutieuse, effectuée conjointement, des résultats d’une part d'ATLAS et d’autre part de CMS, nous avons fait un pas en avant dans la compréhension des mystères du boson de Higgs. »

« L'existence de nouvelles particules pourrait avoir des effets très importants sur les modes de désintégration rares du boson de Higgs, souligne Florencia Canelli, coordinatrice pour la physique à CMS. Cette étude représente une mise à l'épreuve importante du Modèle standard. Avec la troisième période d'exploitation du LHC, actuellement en cours, et le futur LHC à haute luminosité, nous pourrons améliorer la précision de ce test et sonder des désintégrations encore plus rares du boson de Higgs. »