Deux expériences du CERN annoncent de premiers indices d'une désintégration rare du boson de Higgs

Aug 04, 2020

Genève. Lors de la 40e édition de la conférence ICHEP, les expériences ATLAS et CMS du CERN ont annoncé de nouveaux résultats montrant la désintégration du boson de Higgs en deux muons. Le muon est une version plus lourde de l'électron, l'une des particules élémentaires constituant la matière de l'Univers. Alors que les électrons sont classés comme des particules de première génération, les muons appartiennent à la deuxième. La désintégration du boson de Higgs en muons est un processus de physique rare, étant donné qu'un seul boson de Higgs sur 5 000 environ suit ce processus. Ces nouveaux résultats sont d'une importance capitale pour la physique fondamentale parce qu'ils indiquent pour la première fois que le boson de Higgs interagit avec des particules élémentaires de deuxième génération.

Les scientifiques du CERN étudient le boson de Higgs depuis sa découverte en 2012, afin de mieux connaître les propriétés de cette particule très spéciale. Issu de collisions de protons au Grand collisionneur de hadrons (LHC), le boson de Higgs se désintègre presque instantanément en d'autres particules. L'une des méthodes principales pour étudier les propriétés du boson de Higgs consiste à analyser la façon dont il se désintègre en diverses particules fondamentales, ainsi que le taux de désintégration correspondant.

CMS a vu des indices de cette désintégration avec une signification statistique de trois sigmas, ce qui signifie que la probabilité que l'indice d'une désintégration d'un boson de Higgs en une paire de muons provienne d'une fluctuation statistique est inférieure à 1/700. Le niveau de deux sigmas obtenu par ATLAS correspond à une probabilité de 1/40. La combinaison des deux résultats augmenterait la signification bien au-delà de trois sigmas et apporterait une preuve encore plus solide de la désintégration du boson de Higgs en deux muons.

« CMS est fière d'avoir atteint cette sensibilité dans les mesures de la désintégration du boson de Higgs en muons, et d'apporter pour la première fois la preuve expérimentale de ce processus. Le boson de Higgs semble interagir aussi avec des particules de deuxième génération, conformément aux prédictions du Modèle standard. Nous espérons affiner ce résultat grâce aux données que nous recueillerons au cours de la prochaine période d'exploitation », explique Roberto Carlin, porte-parole de l'expérience CMS.

Le boson de Higgs est la manifestation quantique du champ de Higgs, qui donne leur masse aux particules élémentaires avec lesquelles il interagit, via le mécanisme de Brout-Englert-Higgs. En mesurant le taux auquel le boson de Higgs se désintègre en différentes particules, les physiciens peuvent déduire la force de l'interaction de celles-ci avec le champ de Higgs : plus le taux de désintégration en une particule donnée est élevé, plus l'interaction avec le champ est forte. Pour le moment, les expériences ATLAS et CMS ont observé la désintégration du boson de Higgs en différents types de bosons, comme le W et le Z, ainsi qu'en fermions lourds, comme les leptons tau. L'interaction avec les quarks lourds, top et bottom, a été mesurée en 2018. Les muons sont, en comparaison, beaucoup plus légers et interagissent plus faiblement avec le champ de Higgs. Ainsi, aucune interaction entre le boson de Higgs et les muons n'avait encore été observée au LHC.

« Cette manifestation d'un boson de Higgs se désintégrant en particules de matière de deuxième génération confirme le succès du programme de physique sur le boson de Higgs, mené au cours de la seconde exploitation du LHC. Nous sommes capables de mesurer les propriétés du boson de Higgs avec un degré de précision inédit, et pouvons à présent étudier les modes de désintégration rares. Ces résultats s'appuient sur le vaste ensemble de données du LHC, sur l'efficacité et la performances exceptionnelles du détecteur ATLAS, ainsi que sur l'utilisation de nouvelles techniques d'analyse », précise Karl Jakobs, porte-parole d'ATLAS.

Ces études sont d'autant plus difficiles que, au LHC, pour chaque boson de Higgs qui se désintègre en deux muons, conformément aux prédictions du Modèle standard, des milliers de paires de muons sont produites, imitant la « signature » expérimentale attendue. La signature caractéristique de la désintégration du boson de Higgs en muons est un petit excédent d'événements produisant des paires de muons qui se manifeste dans la zone des 125 Gev, qui est la masse du boson de Higgs. Isoler les interactions entre le boson de Higgs et les paires de muons est une tâche difficile. À cette fin, les deux expériences mesurent l'énergie, l'impulsion et les angles des particules pouvant être des muons issus de la désintégration du boson de Higgs. En outre, la sensibilité des analyses a été améliorée grâce, notamment, à des stratégies sophistiquées de modélisation du bruit de fond et à d'autres techniques de pointe telles que les algorithmes d'apprentissage automatique. CMS a combiné quatre analyses différentes, optimisées pour pouvoir repérer les événements montrant de possibles signaux d'un mode de production particulier du boson de Higgs. ATLAS a, de son côté, divisé ses événements en 20 catégories ciblant certains modes de production du boson de Higgs.

Les résultats, qui sont conformes pour l'instant aux prédictions du Modèle standard, s'appuient sur l'ensemble des données recueillies pendant la deuxième période d’exploitation du LHC. Grâce aux nouvelles données qui seront collectées pendant la prochaine période d'exploitation de l'accélérateur, puis auprès du LHC à haute luminosité, les collaborations ATLAS et CMS espèrent atteindre la sensibilité nécessaire (5 sigmas) pour établir la découverte de la désintégration du boson de Higgs en deux muons, et fixer des limites aux théories de la physique au-delà du Modèle standard en rapport avec le mode de désintégration du boson de Higgs.

LIENS

Matériel scientifique
 
Articles :
Aperçu des analyses de la physique de CMS: https://cds.cern.ch/record/2725423
Article d’ATLAS paru sur arXiv : https://arxiv.org/abs/2007.07830

Notes d’information de physique :
CMS : https://cmsexperiment.web.cern.ch/news/cms-sees-evidence-higgs-boson-decaying-muons
ATLAS : https://atlas.cern/updates/physics-briefing/new-search-rare-higgs-decays-muons

Représentations d’événements et diagrammes :
CMS : https://cds.cern.ch/record/2720665?ln=en
http://cds.cern.ch/record/2725728
ATLAS : https://cds.cern.ch/record/2725717?ln=en
https://atlas.web.cern.ch/Atlas/GROUPS/PHYSICS/PAPERS/HIGG-2019-14

Photos

CMS :
https://cds.cern.ch/record/1344500/files/0712017_02.jpg?subformat=icon-1440
https://cds.cern.ch/record/1431473/files/bul-pho-2007-079.jpg?subformat=icon-1440

ATLAS : https://mediastream.cern.ch/MediaArchive/Photo/Public/2007/0706038/0706038_02/0706038_02-A4-at-144-dpi.jpg
https://mediastream.cern.ch/MediaArchive/Photo/Public/2007/0705021/0705021_01/0705021_01-A4-at-144-dpi.jpg

Système à muons de CMS
https://cds.cern.ch/record/2016944/files/IMG_0267.jpg?subformat=icon-1440
https://cds.cern.ch/record/1431505/files/DSC_1432.jpg?subformat=icon-1440

Spectromètre à muons d’ATLAS
https://mediastream.cern.ch/MediaArchive/Photo/Public/2006/0610010/0610010_02/0610010_02-A4-at-144-dpi.jpg
https://mediastream.cern.ch/MediaArchive/Photo/Public/2007/0707043/0707043_01/0707043_01-A4-at-144-dpi.jpg

 


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