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ATLAS recherche des paires de bosons de Higgs dans une désintégration rare

L’étude d’ATLAS fixe les meilleures limites à ce jour concernant l’autocouplage du boson de Higgs, permettant ainsi une meilleure compréhension du mécanisme de Higgs.

ATLAS Event Display: candidate pair of Higgs bosons decay in ATLAS
Événement candidat HH → ɣɣbb issu des données recueillies par ATLAS en 2017. Les trajectoires des particules chargées sont représentées en vert, les deux photons par des barres turquoise et les deux jets de quarks b par des cônes rouges. (Image: CERN)

Depuis la découverte du boson de Higgs en 2012, les scientifiques travaillant auprès du Grand collisionneur de hadrons ( LHC ) étudient les propriétés de cette particule très spéciale et son lien avec le mécanisme fondamental essentiel à la formation de la masse des particules élémentaires. La capacité du boson de Higgs à se coupler à lui-même, processus connu sous le nom d’autocouplage, est une propriété de la particule de Higgs qui reste encore à vérifier par l’expérience. Une telle interaction contribuerait à la formation d’une paire de bosons de Higgs dans les collisions proton-proton de haute énergie produites au LHC, processus extrêmement rare dans le Modèle standard — plus de 1000 fois plus rare que la formation d’un seul boson de Higgs. Si le résultat obtenu lors de la mesure d’un autocouplage du boson de Higgs était différent de la valeur prédite, cela aurait des conséquences importantes ; cela pourrait signifier que l’Univers est capable de passer à un état d’énergie moins élevé et, par voie de conséquence, les lois qui régissent les interactions de la matière pourraient alors être à redéfinir.

Lors des Rencontres de Moriond ( du 9 mars au 3 avril 2021 ) la collaboration ATLAS a présenté le résultat d’une étude qui examine cette question plus en profondeur. Les scientifiques d’ATLAS ont fait porter leur étude sur les deux processus, étroitement liés, de fabrication de paires de Higgs qui pourraient être présents dans les collisions du LHC. En réalité, un seul de ces deux processus est lié à l’autocouplage du boson de Higgs et contribue à la production de paires de Higgs avec une masse totale basse. Ces deux processus interfèrent selon les lois de la mécanique quantique, ce qui aboutit à une réduction de la production de paires de bosons de Higgs dans le Modèle standard. Si un nouveau phénomène de physique était en jeu, cela pourrait modifier l’autocouplage du boson de Higgs et ATLAS pourrait détecter plus de paires de bosons de Higgs que prévu — autrement dit, en langage de physiciens, mesurer une section efficace plus élevée.

Pour cette nouvelle étude, les scientifiques d’ATLAS ont développé de nouvelles techniques d’analyse afin de rechercher un processus rare, au cours duquel l’un des deux bosons de Higgs se désintègre en deux photons et l’autre en deux quarks b ( HH → ɣɣbb ). Pour cela, ils ont commencé par diviser les événements de collision proton-proton en deux régions, une région de masses faibles et une région de masses élevées, cela pour optimiser la sensibilité de l’étude à l’autocouplage du Higgs. Puis, à l’aide d’un algorithme d’apprentissage automatique, ils ont trié les événements pour mettre de côté les collisions proton-proton qui pourraient constituer un processus HH → ɣɣbb. Enfin, ils ont déterminé la section efficace de la production de paires de Higgs et ont observé la façon dont elle varie en fonction du rapport entre l’autocouplage du boson de Higgs et sa valeur dans le Modèle standard. ATLAS a ainsi pu déterminer des limites pour l’autocouplage du boson de Higgs, de -1,5 à 6,7 fois la prédiction du Modèle standard, et la section efficace de production des paires de Higgs. Le résultat relatif à l’autocouplage du boson de Higgs est plus de deux fois plus restrictif et ce n’est qu’un début.

Cette analyse ne donne qu’un aperçu de la suite : il faudra en effet, bien plus de données pour observer l’autocouplage du boson de Higgs si ce dernier s’avère proche de la prédiction du Modèle standard. L’observation de l’autocouplage du boson de Higgs est d’ailleurs l’une des raisons d’être du programme du LHC à haute luminosité ( HL-LHC ), dont l’exploitation est prévue à la fin des années 2020. Le HL-LHC devrait fournir un ensemble de données plus de 20 fois plus abondant que celui utilisé ici, et il fonctionnera à une énergie de collision plus élevée. Si la production de paires de bosons de Higgs est fidèle aux prédictions du Modèle standard, elle devrait pouvoir être observée dans ce grand volume de données et on pourra alors obtenir un résultat plus quantitatif sur l’intensité de l’autocouplage du boson de Higgs.

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Pour en savoir plus, voir le site web de l’expérience ATLAS ( en anglais ).