Affichage de l'événement ATLAS d'un boson de Higgs se désintégrant en deux quarks b. Crédit :Collaboration ATLAS/CERN
Précédemment, le boson de Higgs a été observé en train de se désintégrer en photons, tau-leptons, et les bosons W et Z. Cependant, ces réalisations impressionnantes ne représentent que 30 pour cent des désintégrations du boson de Higgs. La désintégration favorisée du boson de Higgs en une paire de quarks b (H→bb) devait se produire environ 58 % du temps, entraînant ainsi la courte durée de vie du boson de Higgs, et restait donc insaisissable. L'observation de cette désintégration comblerait l'une des grandes pièces manquantes de notre connaissance du secteur de Higgs et confirmerait que le mécanisme de Higgs est responsable des masses de quarks; en outre, cela pourrait également fournir des indications sur une nouvelle physique au-delà de nos théories actuelles. En tout, c'est une pièce manquante vitale du puzzle du boson de Higgs.
Mais après plus d'un million de désintégrations de H→bb dans la seule expérience ATLAS, pourquoi les chercheurs ne l'ont-ils pas encore vu ? Cela semble particulièrement étrange étant donné que des désintégrations du boson de Higgs moins fréquentes ont été observées.
La réponse réside dans l'abondance de quarks b créés dans le détecteur ATLAS en raison de fortes interactions. Nous créons des paires de quarks b 10 millions de fois plus fréquemment que nous créons une désintégration H→bb, ce qui rend leur sélection sur ce vaste arrière-plan une tâche extrêmement difficile. On recherche donc les désintégrations de H→bb lorsqu'elles sont produites en association avec une autre particule - dans ce cas, un boson vecteur (W ou Z). Les désintégrations plus distinctives des bosons vecteurs offrent un moyen de réduire le bruit de fond important. Cela conduit à un taux de production beaucoup plus faible - nous pensons n'avoir créé que 30, 000 H→bb se désintègre de cette façon, mais il fournit une occasion de repérer cette pourriture insaisissable.
Néanmoins, même dans cet état, les processus de fond qui imitent le signal H→bb sont encore importants, complexe et difficile à modéliser. Les collaborateurs d'ATLAS ont fait un effort majeur pour isoler le petit signal H→bb du grand fond. Après avoir sélectionné les collisions d'intérêt, ils se sont retrouvés avec le nombre attendu d'environ 300 événements H→bb contre 70, 000 événements de fond. Finalement, ils espéraient voir un excès d'événements de collision par rapport à notre prédiction de fond (une bosse) qui apparaît à la masse du boson de Higgs.
Une comparaison de l'excès de données de collision (points noirs) sur les processus d'arrière-plan (qui ont été soustraits des données), qui montre clairement les désintégrations H→bb (zone rouge remplie) et la désintégration bien comprise du diboson Z→bb (zone grise) utilisées pour valider le résultat. (Image :) Crédit :Collaboration ATLAS/CERN
Après avoir analysé toutes les données ATLAS collectées en 2015 et 2016, les chercheurs ont finalement atteint le niveau de précision pour confirmer les preuves de H → bb avec une signification observée de 3,6 σ lors de la combinaison des ensembles de données Run 1 et Run 2. Comme le montre la figure, une bosse est observée qui est très conforme aux attentes, confirmant de nombreux aspects clés du comportement des bosons de Higgs. A côté de la bosse, il y a une désintégration d'un boson Z (masse de 91 GeV) en une paire de quarks b, produit de la même manière que le boson de Higgs, mais plus abondamment. Il sert de puissante validation de l'analyse.
Repérer H→bb n'est que le début. Les études de cette nouvelle désintégration ouvriront une toute nouvelle fenêtre sur le Higgs, et peut également fournir des indications sur une nouvelle physique au-delà de nos théories actuelles. Restez à l'écoute de cette chaîne.
