Des physiciens du CERN découvrent les premières preuves d’une désintégration rare du boson de Higgs

Les physiciens des collaborations ATLAS et CMS au Grand collisionneur de hadrons (LHC) du CERN ont mené indépendamment des recherches approfondies sur la désintégration rare du boson de Higgs en un boson Z et un photon.

Affichage d’un événement candidat H→ Zγ avec le boson Z se désintégrant μ+μ-. Les impulsions transversales des deux muons candidats, représentées en rouge, sont de 72 GeV et 20 GeV. Le photon candidat est reconstruit sous la forme d’un photon non converti avec une impulsion transverse de 32,5 GeV. Deux jets (R=0,4) sont représentés par des cônes bleu clair, avec des mjj de 965 GeV. Les cases vertes correspondent aux dépôts d’énergie dans les cellules du calorimètre électromagnétique, tandis que les cases jaunes correspondent aux dépôts d’énergie dans les cellules du calorimètre hadronique. La masse invariante du boson candidat Z est de 91,1 GeV et la masse invariante du système Zγ est de 125,4 GeV. Crédit image : Collaboration ATLAS / CERN.

Le modèle standard prédit que, si le boson de Higgs a une masse d’environ 125 milliards d’électronvolts (GeV), 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 d’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 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.

“La découverte du boson de Higgs en 2012 par les collaborations ATLAS et CMS a été suivie d’un programme détaillé de mesures qui ont confirmé que ses couplages et d’autres propriétés sont conformes à ceux prédits dans le modèle standard”, ont-ils déclaré.

“Cependant, il existe plusieurs canaux de désintégration du boson de Higgs, y compris H → Zγ, qui ont de petites fractions de ramification prédites et qui n’ont pas encore été observés.”

“Ces canaux fournissent également des sondes pour d’éventuelles contributions découlant de la physique au-delà du modèle standard.”

“Dans le modèle standard, la désintégration H → Zγ devrait avoir une petite fraction de ramification, d’environ 1,5 * 10⁻³ pour un boson de Higgs de masse proche de 125 GeV.

“Comme la désintégration H → Zγ se déroule via des diagrammes en boucle, elle est sensible aux modifications dans plusieurs scénarios au-delà du modèle standard qui entraîneraient une différence entre la fraction de ramification et la valeur du modèle standard.”

“Les exemples incluent des modèles où le boson de Higgs est un scalaire neutre d’origine différente, un état composite ou un pseudo boson de Nambu-Goldstone.”

“Différentes fractions de ramification sont également attendues pour les modèles avec des scalaires, des leptons ou des bosons vecteurs chargés incolores supplémentaires qui se couplent au boson de Higgs, en raison de leurs contributions via des corrections de boucle.”

Un événement de collision proton-proton enregistré par le détecteur CMS en 2018 à une énergie dans le centre de masse de 13 TeV, cohérent avec la désintégration d’un boson de Higgs en un boson Z et un photon. Le Z se désintègre en une paire de muons (lignes rouges), avec des impulsions transversales de 85 et 11 GeV, qui s’étendent jusqu’au système de détection des muons. Un dépôt d’énergie dans le calorimètre électromagnétique (représenté par les cases vertes) sans piste associée indique un photon (ligne pointillée jaune), avec une impulsion transverse de 19 GeV. La masse invariante du système Zγ est de 126,0 GeV. Crédit image : Collaboration CMS / CERN.

Dans la nouvelle recherche, les équipes 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, ils 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”, a déclaré 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”, a ajouté la coordinatrice physique de CMS, Florencia Canelli.

« Cette étude est un test puissant du modèle standard. Avec la troisième exploitation en cours du LHC et du 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.