En juillet 2012, les expériences ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS) et CMS (Compact-Muon-Solenoid) au Grand collisionneur de hadrons du CERN ont annoncé conjointement la découverte du boson de Higgs. Cette découverte a confirmé l’existence de la dernière particule élémentaire manquante du modèle standard, cinq décennies après qu’elle ait été prédite théoriquement. Les nouveaux résultats des expériences ATLAS et CMS révèlent la force de l’interaction du boson de Higgs avec la particule élémentaire connue la plus lourde, le quark supérieur. L’observation de ce processus rare est une étape importante pour le domaine de la physique des hautes énergies ; elle permet aux physiciens de tester les paramètres critiques du mécanisme de Higgs dans le modèle standard.
Visualisation d’un événement de données provenant du bin tt¯H(γγ) Had BDT avec le plus grand rapport signal sur bruit de fond ; l’événement contient deux candidats photons, avec une masse de diphotons de 125,4 GeV ; en outre, six jets sont reconstruits à l’aide de l’algorithme anti-kt et R = 0,4, y compris un jet qui est marqué b en utilisant un point de travail à 77% d’efficacité ; les photons correspondent aux tours vertes dans le calorimètre électromagnétique, tandis que les jets (b-jets) sont représentés par des cônes jaunes (bleus). Crédit image : Collaboration ATLAS.
Le boson de Higgs n’interagit qu’avec des particules massives, pourtant il a été découvert dans sa désintégration en deux photons sans masse.
La mécanique quantique permet au boson de Higgs de fluctuer pendant un temps très court en un quark supérieur et un antiquark supérieur, qui s’annihilent rapidement en une paire de photons.
La probabilité que ce processus se produise varie en fonction de la force de l’interaction (appelée couplage) entre le boson de Higgs et les quarks supérieurs. Sa mesure permet aux physiciens de déduire indirectement la valeur du couplage Higgs-quarks supérieurs.
Cependant, des particules lourdes de nouvelle physique non découvertes pourraient également participer à ce type de désintégration et en modifier le résultat. C’est pourquoi le boson de Higgs est considéré comme un portail vers la nouvelle physique.
Une manifestation plus directe du couplage Higgs-top est l’émission d’un boson de Higgs par une paire de quark top-antitop.
Les nouveaux résultats des collaborations CMS et ATLAS décrivent l’observation de ce processus dit de ‘production tt¯H’.
Les résultats sont cohérents entre eux et avec le modèle standard, et donnent aux scientifiques de nouveaux indices pour savoir où chercher la nouvelle physique.
“Ces mesures effectuées par les collaborations CMS et ATLAS indiquent clairement que le boson de Higgs joue un rôle clé dans la grande valeur de la masse du quark supérieur”, a déclaré le Dr Karl Jakobs, porte-parole de la collaboration ATLAS.
“Bien qu’il s’agisse certainement d’une caractéristique clé du modèle standard, c’est la première fois qu’elle a été vérifiée expérimentalement avec une signification écrasante.”
Un événement candidat pour la production d’une paire de quark supérieur et d’antiquark supérieur en conjonction avec un boson de Higgs dans CMS ; le Higgs se désintègre en un lepton tau+, qui se désintègre à son tour en hadrons et un tau- , qui se désintègre en un électron ; les symboles des produits de désintégration sont en bleu ; le quark supérieur se désintègre en trois jets (gerbes de particules plus légères) dont les noms sont donnés en violet ; l’un d’eux est initié par un quark b ; l’antiquark supérieur se désintègre en un muon et un jet b, dont les noms apparaissent en rouge. Crédit image : Collaboration CMS.
Mesurer ce processus est un défi, car il est rare : seulement 1% des bosons de Higgs sont produits en association avec deux quarks supérieurs et, en outre, le Higgs et les quarks supérieurs se désintègrent en d’autres particules de nombreuses manières complexes, ou modes.
À l’aide de données provenant de collisions proton-proton recueillies à des énergies de 7, 8 et 13 TeV, les équipes ATLAS et CMS ont effectué plusieurs recherches indépendantes de tt¯Hchacun visant différents modes de désintégration du Higgs (en bosons W, bosons Z, photons, leptons τ et jets de quarks inférieurs).
Pour maximiser la sensibilité au signal tt¯H, qui représente un défi expérimental, chaque expérience a ensuite combiné les résultats de toutes ses recherches.
“Les équipes d’analyse de CMS et ATLAS ont utilisé de nouvelles approches et des techniques d’analyse avancées pour atteindre cette étape importante”, a déclaré le Dr Joel Butler, porte-parole de la collaboration CMS.
“Lorsque ATLAS et CMS termineront la prise de données en novembre 2018, nous aurons suffisamment d’événements pour remettre encore plus fortement en question la prédiction du modèle standard pour tt¯H, afin de voir s’il y a une indication de quelque chose de nouveau.”
Les nouveaux résultats de l’expérience CMS ont été publiés cette semaine dans la revue. Physical Review Letters (préimpression arXiv.org).
Les résultats de l’expérience ATLAS paraîtront dans la revue Physics Letters B (préimpression arXiv.org).