Le boson de Higgs pourrait-il encore nous surprendre ? Depuis sa découverte en 2012, les collaborations ATLAS et CMS au CERN étudient activement les propriétés de cet ajout le plus récent et le plus mystérieux au modèle standard de la physique des particules.

Dans le modèle standard, le mécanisme de Brout-Englert-Higgs prédit que le boson de Higgs interagira avec les particules de matière (quarks et leptons, appelés fermions) avec une force proportionnelle à la masse de la particule. Il prédit également que le boson de Higgs interagira avec les particules porteuses de force (bosons W et Z) avec une force proportionnelle au carré de la masse de la particule. Par conséquent, en mesurant les taux de désintégration et de production du boson de Higgs, qui dépendent de la force d'interaction avec ces autres particules, Les physiciens d'ATLAS peuvent effectuer un test fondamental du modèle standard.

La semaine dernière, au Conférence de la Société européenne de physique sur la physique des hautes énergies (EPS-HEP) à Gand, La Belgique, la collaboration ATLAS publié un nouveau résultat préliminaire recherchant le boson de Higgs se désintègre en une paire muon et antimuon (H → μμ). Le nouveau, le résultat plus sensible utilise l'ensemble de données Run 2 complet, analysant presque deux fois plus d'événements du boson de Higgs que le résultat ATLAS précédent (publié en 2018, pour la conférence de l'ICHEP).

Les collaborations ATLAS et CMS ont déjà observé la désintégration du boson de Higgs en lepton tau - le cousin plus lourd du muon, appartenant à la troisième "génération" de fermions. Comme les muons sont beaucoup plus légers que les leptons tau, on s'attend à ce que la désintégration du boson de Higgs en une paire de muons se produise environ 300 fois moins souvent que celle d'une paire tau-lepton. Malgré cette rareté, la désintégration H → μμ offre la meilleure opportunité de mesurer l'interaction de Higgs avec les fermions de deuxième génération au LHC, fournissant de nouvelles informations sur l'origine de la masse pour différentes générations de fermions.

Expérimentalement, ATLAS est bien équipé pour identifier et reconstruire des paires de muons. En combinant les mesures du détecteur interne d'ATLAS et du spectromètre à muons, les physiciens peuvent obtenir une bonne résolution du moment du muon. Cependant, ils doivent également rendre compte de la création de muons par un arrière-plan commun :l'abondant "processus Drell-Yan", où une paire de muons est produite via l'échange d'un boson Z virtuel ou d'un photon. Pour aider à différencier le signal H → μμ de ce bruit de fond, Les équipes ATLAS utilisent des discriminants multivariés (arbres de décision boostés), qui exploitent les différentes propriétés de production et de désintégration de chaque événement. Par exemple, Les événements de signal H → μμ sont caractérisés par un système de paires de muons plus central et une plus grande quantité de mouvement dans le plan transversal aux protons en collision.

Pour améliorer encore la sensibilité de la recherche, les physiciens séparent les événements potentiels H → μμ en plusieurs catégories, chacun avec des rapports signal/arrière-plan attendus différents. Ils examinent chaque catégorie séparément, étudier la distribution de la masse de la paire de muons des événements sélectionnés. Les abondances de signal et de fond pourraient alors être déterminées simultanément par un ajustement au spectre de masse, en exploitant les différentes formes des processus de signal et de fond. La figure 2 montre la distribution de masse de paires de muons résultante combinée sur toutes les catégories.

Dans le nouveau résultat ATLAS, aucun excès significatif d'événements au-dessus du bruit de fond mesuré n'a été observé dans la région du signal autour de la masse du boson de Higgs de 125 GeV. La signification du signal observé est de 0,8 écart type pour 1,5 écart type attendu du modèle standard. Une limite supérieure de la section efficace de production du boson de Higgs multipliée par la fraction de branchement aux muons a été fixée à 1,7 fois la prédiction du modèle standard à un niveau de confiance de 95 %. Ce nouveau résultat représente une amélioration d'environ 50 % par rapport aux résultats ATLAS précédents.