Les physiciens de la collaboration ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS) au Grand collisionneur de hadrons (LHC) du CERN ont trouvé la première preuve de la désintégration du boson de Higgs en un système de dileptons de faible masse (soit une paire d’électrons ou de muons de charge opposée) et un photon. Connue sous le nom de désintégration de Dalitz, cette désintégration du boson de Higgs est l’une des plus rares jamais observées au LHC.
Candidats au boson de Higgs se désintégrant en une paire de dileptons et un photon. Crédit image : ATLAS Collaboration / CERN.
Le boson de Higgs peut se désintégrer en une paire de leptons et un photon de trois manières principales : les leptons peuvent être produits via un boson Z intermédiaire ou un photon virtuel (γ*), ou le boson de Higgs peut se désintégrer en deux leptons dont l’un rayonne un photon d’état final.
Pour leur nouvelle analyse, les physiciens d’ATLAS ont ciblé la désintégration médiée par le photon virtuel.
Contrairement au photon stable et sans masse qui nous est familier, le γ* est une particule virtuelle qui a typiquement une masse très faible (mais non nulle) et se désintègre instantanément en deux leptons.
Les chercheurs ont recherché dans l’ensemble des données du deuxième cycle du LHC les événements de collision avec un photon et deux leptons dont la masse combinée était inférieure à 30 GeV.
Dans cette région, les désintégrations avec des photons virtuels devraient dominer les autres processus qui donnent le même état final.
“Une caractéristique particulière de ce canal de désintégration est que la majorité des paires de dileptons ont une masse invariante très faible et un moment transversal comparativement élevé”, expliquent les chercheurs.
“Cela signifie qu’elles traversent le détecteur avec des trajectoires presque identiques, seulement séparées par un petit angle.”
“Faire la différence entre deux muons très collimatés ne pose aucun problème aux systèmes de suivi du détecteur interne et du spectromètre à muons d’ATLAS. Mais pour les électrons, qui sont reconstitués dans le calorimètre électromagnétique, deux électrons proches peuvent déposer leur énergie à quelques centimètres l’un de l’autre.”
“Cela nous pose un défi, car l’énergie typique déposée dans le calorimètre par un seul électron est contenue dans un rayon d’environ 10 cm. Dans ce cas, les signaux des deux électrons se chevaucheront souvent l’un l’autre, créant une signature expérimentale unique.”
“La sélection de ces paires d’électrons a nécessité une technique spécialisée d’identification des électrons, un étalonnage minutieux de l’énergie, et même un déclencheur dédié pour capturer cette topologie spéciale pendant la sélection rapide des événements en ligne.”
Ayant surmonté ces défis, les scientifiques ont pu sélectionner des événements de collision contenant une paire de dileptons de faible masse et un photon.
Pour améliorer la sensibilité de leur analyse, ils ont classé les événements dans trois régions cinématiques conçues pour améliorer le rapport signal/bruit de fond et favoriser certains modes de production du boson de Higgs.
Ils ont mesuré un taux de signal de boson de Higgs dans ce canal de désintégration qui est 1,5 ± 0,5 fois l’attente du modèle standard.
La probabilité que le signal observé soit causé par une fluctuation du fond est de 3,2 sigma – moins de 1 sur 1000.
L’observation de la désintégration du boson de Higgs en un photon et une paire de leptons permettra aux physiciens d’étudier la symétrie de parité de charge (CP).
