Vue de l'expérience ATLAS au CERN en 2019. Crédit :A. Dunam/CERN
Lors de la Conférence Société européenne de physique sur la physique des hautes énergie (EPS-HEP) à Gand, La Belgique, la collaboration ATLAS au CERN a publié de nouvelles mesures des propriétés du boson de Higgs à l'aide de l'ensemble de données LHC Run 2 complet. De manière critique, les nouveaux résultats examinent deux des désintégrations du boson de Higgs qui ont conduit à la découverte de la particule en 2012 :H→ZZ*→4ℓ, où le boson de Higgs se désintègre en deux bosons Z, se désintégrant à son tour en quatre leptons (électrons ou muons); et H→γγ où le boson de Higgs se désintègre directement en deux photons.
Bien que rare, ces canaux sont facilement identifiables et bien mesurés dans le détecteur ATLAS, permettant aux physiciens d'étudier les propriétés du boson de Higgs avec une grande précision. En particulier, ils fournissent de nouvelles mesures du moment transverse du boson de Higgs, qui peut être utilisé pour sonder différents mécanismes de production de Higgs et les écarts possibles par rapport aux interactions du modèle standard.
Viser l'or :un nouvel aperçu du canal des quatre leptons
H → ZZ * → carie 4ℓ est la soi-disant « canal d'or » du boson de Higgs, car il a la signature la plus claire et la plus propre de tous les modes de désintégration possibles du boson de Higgs. Grâce à la luminosité accrue de Run 2, ATLAS a enregistré environ 300 événements candidats « canal d'or » entre 2015 et 2018, dont un tiers devrait être dû aux processus d'arrière-plan ZZ. Le spectre de masse invariant pour les événements à quatre leptons sélectionnés pour les données complètes de l'analyse 2 est illustré à la figure 1.
En plus de l'augmentation du nombre d'événements collectés, Les physiciens d'ATLAS ont amélioré leur analyse. Alors que le taux de fond ZZ était précédemment estimé avec des simulations, associée à une incertitude théorique, le nouveau résultat d'ATLAS utilise des données pour évaluer directement la contribution du bruit de fond. Tout en gardant l'incertitude totale sur le fond à peu près la même, cela a considérablement réduit l'incertitude théorique et la dépendance du modèle de la mesure.
Figure 1 :Distribution de la masse invariante des quatre leptons sélectionnés dans la mesure ATLAS de H→ZZ*→4ℓ à l'aide de l'ensemble de données Run 2 complet. Le boson de Higgs correspond à l'excès d'événements (bleu) sur le fond ZZ* non résonant (rouge) à 125 GeV. Une désintégration rare du boson Z en quatre leptons peut également être observée à environ 91 GeV. Crédit :Collaboration ATLAS/CERN
L'équipe ATLAS a également introduit apprentissage en profondeur les réseaux de neurones pour distinguer qui des événements de boson de Higgs est venu de quels mécanismes de production. Cette technique permet à l'équipe d'ATLAS d'améliorer leur identification pour savoir si un boson de Higgs a été produit par la fusion commune d'une paire de gluons (ggF - représentant 87 % des désintégrations du boson de Higgs), ou de la fusion plus rare de deux bosons vecteurs W ou Z (VBF - 7 % de désintégrations) ou du rayonnement d'un boson W ou Z (VH - 4 %). Une fois identifié avec succès, les physiciens d'ATLAS pourraient alors mesurer la section efficace de production pour chacun.
Les modes de production VBF et VH peuvent être assez bien distingués par la séparation et la masse de « jets » de particules qu'ils produisent. Pour VBF, les bosons vecteurs sont rayonnés par deux quarks, qui forment des jets énergétiques dans le détecteur le long de la direction du faisceau et dans les hémisphères opposés. Pendant ce temps, le mode de production VH produit également deux jets, avec la masse du boson W (80 GeV) ou Z (91 GeV).
Figure 2:La production Higgs sections transversales fois les Higgs fraction de ramification en une paire de bosons Z, •B, mesurée dans le canal de désintégration à quatre leptons. Celles-ci sont normalisées par les valeurs attendues du modèle standard. La ligne verticale à un est l'espérance du modèle standard avec la bande grise correspondant aux incertitudes théoriques sur cette espérance. Les points de données mesurés concordent bien avec leurs incertitudes avec le modèle standard. Crédit :Collaboration ATLAS/CERN
Cependant, les gluons dans la production de ggF peuvent également émettre des jets supplémentaires, imitant ainsi les paires de jets VBF et VH. C'est là des réseaux de neurones profonds d'apprentissage entrent en jeu. Ils se sont avérés être suffisamment souples pour GGF simultanément séparée, VBF et VH avec moins de chevauchement que les techniques d'apprentissage automatique précédentes. Les sections efficaces de production de Higgs telles que mesurées dans le canal à quatre leptons peuvent être vues sur la figure 2, où il y a une amélioration de 20% sur la mesure de section efficace VBF grâce à la technique de réseau de neurones.
Deux lumières pour voir le Higgs :étude du canal à deux photons
Les physiciens d'ATLAS ont également incorporé des techniques d'analyse nouvelles et améliorées dans leur étude de la désintégration du boson de Higgs en une paire de photons (H→γγ). En particulier, l'identification améliorée des photons et l'étalonnage de l'énergie du jet ont permis de réduire les incertitudes systématiques associées. Les critères de forme de gerbe électromagnétique utilisés pour identifier les photons et supprimer les photons candidats indésirables des désintégrations hadroniques ont maintenant été optimisés dans des sous-gammes de l'impulsion transversale du photon, car les gerbes générées dans le détecteur dépendent de l'énergie des photons. Cela a conduit à des améliorations de la sensibilité de quelques pour cent.
Figure 3 :Distribution de la masse invariante des deux photons élus dans la mesure ATLAS de H→γγ en utilisant l'ensemble de données Run 2 complet. Le boson de Higgs correspond à l'excès d'événements observé à 125 GeV par rapport au fond non résonant (ligne pointillée). Crédit :Collaboration ATLAS/CERN
Les physiciens mesurées plusieurs sections différentielles pour des observables sensibles à la production de Higgs boson et de la décomposition, y compris les distributions cinématiques des jets produits en association avec le boson de Higgs. Les interactions au-delà du modèle standard entre le boson de Higgs et les bosons de jauge devraient modifier ces variables, fournissant un excellent test pour la nouvelle physique. Les mesures de sections inclusives et différentielles, déterminés à partir des rendements des événements dans le pic de signal dans la distribution de masse invariante du diphoton (voir la figure 3) se sont avérés être en bon accord avec les prédictions du modèle standard. Les physiciens d'ATLAS ont utilisé ces mesures pour contraindre la force des interactions hypothétiques au-delà du modèle standard du boson de Higgs avec les bosons de jauge.
De plus, les physiciens ATLAS ont pu examiner l'interaction entre le boson de Higgs et le quark charme. Le boson de Higgs n'a pas encore été vu se désintégrer en quarks charmeurs, qui est prévue dans le modèle standard pour avoir vingt fois plus faible taux de désintégrations de quark bas, observé pour la première fois par ATLAS et CMS en 2018. Cependant, si la force (ou "couplage") de l'interaction de Higgs avec le quark charme était beaucoup plus grande que prévu en raison d'un nouveau processus physique, cela affecterait la distribution de la quantité de mouvement mesurée du boson de Higgs. Les physiciens ont recherché la signature de cet effet :un excès de données par rapport à l'attente théorique dans la région du moment du bas boson de Higgs (voir Figure 4). Un tel excès n'a pas été observé dans les données.
Figure 4 :Section efficace différentielle pour la quantité de mouvement transverse (pT, H) du boson de Higgs des deux canaux individuels (H→ZZ*→4ℓ, H→γγ) et leur combinaison. Crédit :Collaboration ATLAS/CERN
Aperçu combiné
La production totale de Higgs boson section transversale a été mesuré à 56,7 ± 6,3 pb avec le H → décroissance de canal γγ, et 54,4 ± 5,6 pb avec le canal H→ZZ*→4ℓ. En combinant les deux canaux, la section transversale totale est de 55,4 ± 4,3 pb, en accord avec la prédiction du modèle standard de 55,6 ± 2,5 pb. La section efficace différentielle pour la quantité de mouvement transverse du boson de Higgs dans les deux canaux est également d'accord, comme le montre la figure 4, et leur combinaison correspond aux prédictions du modèle standard.
Grâce aux excellentes performances du LHC et du détecteur ATLAS pendant le Run 2, Les études ATLAS sur le boson de Higgs vont au-delà de la découverte, dans une nouvelle ère de mesures de précision qui approfondissent notre compréhension de cette particule. Le voyage vient de commencer !
