Les physiciens des collaborations ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS) et CMS (Compact-Muon-Solenoid) au Grand collisionneur de hadrons du CERN ont rapporté des preuves solides de la désintégration du boson de Higgs en une paire de muons.
Représentation d’un boson de Higgs se désintégrant en deux muons, tel qu’enregistré par CMS (à gauche) et ATLAS (à droite). Crédit image : CERN.
En 2012, les physiciens du CERN ont signalé la découverte d’un nouveau boson avec une masse proche de 125 GeV et des propriétés compatibles avec celles attendues pour le boson de Higgs, une particule fondamentale proposée pour la première fois en 1964.
Dans le modèle standard, le boson de Higgs est une particule de spin zéro qui devrait provenir du champ de Higgs, responsable de la rupture de la symétrie électrofaible.
Jusqu’à présent, les physiciens ont observé la désintégration du boson de Higgs en différents types de bosons de jauge tels que les bosons W et Z et les photons, en fermions plus lourds tels que les leptons tau et en interactions avec les quarks les plus lourds, les quarks supérieurs et inférieurs.
Les muons sont beaucoup plus légers en comparaison et leur interaction avec le champ de Higgs est plus faible. Les interactions entre le boson de Higgs et les muons n’avaient donc pas encore été observées au Grand collisionneur de hadrons (LHC).
Les physiciens de la collaboration CMS ont obtenu la preuve de la désintégration du boson de Higgs en une paire de muons avec 3 sigma, ce qui signifie que la probabilité d’observer cette désintégration à partir d’une fluctuation statistique est inférieure à un sur 700.
Le résultat à deux sigmas de la collaboration ATLAS signifie que les chances sont d’une sur 40.
La combinaison des deux résultats augmenterait la signification bien au-delà de 3 sigma et fournit des preuves solides de la désintégration du boson de Higgs en deux muons.
Ce qui rend ces expériences difficiles est que pour chaque boson de Higgs prédit se désintégrant en deux muons, il existe des milliers de paires de muons produites par d’autres processus qui imitent la signature expérimentale attendue.
La signature caractéristique de la désintégration du boson de Higgs en muons est un petit excès d’événements qui se regroupent autour d’une masse de paires de muons de 125 GeV.
Isoler le boson de Higgs des interactions entre paires de muons n’est pas une mince affaire.
Pour ce faire, les deux expériences mesurent l’énergie, le momentum et les angles des muons candidats issus de la désintégration du boson de Higgs.
En outre, la sensibilité des analyses a été améliorée grâce à des méthodes telles que des stratégies sophistiquées de modélisation de l’arrière-plan et d’autres techniques avancées comme les algorithmes d’apprentissage automatique.
CMS a combiné quatre analyses distinctes, chacune optimisée pour catégoriser les événements physiques avec des signaux possibles d’un mode de production spécifique du boson de Higgs.
ATLAS a divisé ses événements en 20 catégories qui ciblent des modes spécifiques de production de bosons de Higgs.
“CMS est fier d’avoir atteint cette sensibilité à la désintégration des bosons de Higgs en muons, et de montrer la première preuve expérimentale de ce processus”, a déclaré le Dr Roberto Carlin, porte-parole de la collaboration CMS.
“Le boson de Higgs semble interagir également avec les particules de deuxième génération, en accord avec la prédiction du modèle standard, un résultat qui sera affiné avec les données que nous prévoyons de collecter lors du prochain passage.”
“Les mesures des propriétés du boson de Higgs ont atteint un nouveau stade de précision et les modes de désintégration rares peuvent être abordés”, a déclaré le Dr Karl Jakobs, porte-parole de la collaboration ATLAS.
“Ces réalisations s’appuient sur le grand ensemble de données du LHC, sur l’efficacité et les performances exceptionnelles du détecteur ATLAS et sur l’utilisation de nouvelles techniques d’analyse.”
