Des physiciens des collaborations ATLAS et CMS au Grand collisionneur de hadrons du CERN ont observé la désintégration du boson de Higgs en une paire de quarks inférieurs (H bb).–). Cette interaction insaisissable devrait représenter près de 60 % des désintégrations du boson de Higgs. Cette découverte est cohérente avec l’hypothèse selon laquelle le champ quantique omniprésent derrière le boson de Higgs donne également une masse au quark inférieur.
Représentation d’un événement candidat pour la production d’un boson de Higgs se désintégrant en deux quarks inférieurs (cônes bleus), en association avec un boson W se désintégrant en un muon (rouge) et un neutrino. Le neutrino quitte le détecteur sans être vu, et est reconstruit grâce à l’énergie transversale manquante (ligne pointillée). Crédit image : Collaboration ATLAS / CERN.
Le modèle standard de la physique des particules prévoit qu’environ 60 % du temps, un boson de Higgs se désintègre en une paire de quarks inférieurs, la deuxième plus lourde des six saveurs de quarks.
Le test de cette prédiction est crucial car le résultat pourrait soit conforter le modèle standard, soit ébranler ses fondations et indiquer une nouvelle physique.
Repérer ce canal commun de désintégration du boson de Higgs est tout sauf facile, comme l’ont montré les six années écoulées depuis la découverte du boson.
La raison de cette difficulté est qu’il existe de nombreuses autres façons de produire des quarks inférieurs dans les collisions proton-proton. Il est donc difficile d’isoler le signal de désintégration du boson de Higgs du “bruit” de fond associé à ces processus.
En revanche, les canaux de désintégration du boson de Higgs, moins courants, qui ont été observés au moment de la découverte de la particule, sont beaucoup plus faciles à extraire du bruit de fond.
Pour extraire le signal, les collaborations ATLAS et CMS ont chacune combiné des données provenant des premier et deuxième passages du Grand collisionneur de hadrons, qui impliquaient des collisions à des énergies de 7, 8 et 13 TeV. Elles ont ensuite appliqué des méthodes d’analyse complexes aux données.
Le résultat a été la détection de la désintégration du boson de Higgs en une paire de quarks inférieurs avec une signification supérieure à 5 écarts-types.
En outre, les collaborations ont mesuré un taux de désintégration qui est conforme à la prédiction du modèle standard, dans les limites de la précision actuelle de la mesure.
“Nous sommes fiers d’annoncer l’observation de cette désintégration importante et stimulante du boson de Higgs”, a déclaré le Dr Karl Jakobs, porte-parole de la collaboration ATLAS.
“Si ce résultat est certainement une confirmation du modèle standard, il est également un triomphe pour nos équipes d’analyse.”
“Durant les premiers préparatifs du Grand collisionneur de hadrons, il y avait des doutes sur la possibilité de réaliser cette observation. Notre succès est dû aux excellentes performances du LHC et du détecteur ATLAS, ainsi qu’à l’application de techniques d’analyse très sophistiquées à notre vaste ensemble de données.”
“Depuis la première observation par une seule expérience de la désintégration du boson de Higgs en tau-leptons il y a un an, CMS, avec nos collègues d’ATLAS, a observé le couplage du boson de Higgs aux fermions les plus lourds : le tau, le quark supérieur, et maintenant le quark inférieur”, a déclaré le Dr Joel Butler, porte-parole de la collaboration CMS.
“Les superbes performances du Grand collisionneur de hadrons et les techniques modernes d’apprentissage automatique nous ont permis d’obtenir ce résultat plus tôt que prévu.”
Avec davantage de données, les collaborations ATLAS et CMS amélioreront la précision de ces mesures et d’autres et sonderont la désintégration du boson de Higgs en une paire de fermions beaucoup moins massifs appelés muons, en surveillant toujours les déviations dans les données qui pourraient indiquer une physique au-delà du modèle standard.
“Les expériences continuent de se concentrer sur la particule de Higgs, qui est souvent considérée comme une porte d’entrée vers la nouvelle physique”, a déclaré Eckhard Elsen, directeur de la recherche et de l’informatique au CERN.
“Ces belles et premières réalisations soulignent également nos projets de mise à niveau du Grand collisionneur de hadrons afin d’augmenter considérablement les statistiques.”
“Il est maintenant démontré que les méthodes d’analyse atteignent la précision requise pour l’exploration de tout le paysage de la physique, y compris, espérons-le, la nouvelle physique qui se cache jusqu’à présent si subtilement.”
Les résultats seront publiés dans les revues Physics Letters B (préimpression) et Physical Review Letters (préimpression).
