Il y a deux ans, le boson de Higgs a été observé se désintégrant en une paire de quarks de beauté (H→bb), déplaçant son étude de "l'ère de la découverte" à "l'ère de la mesure". En mesurant les propriétés du boson de Higgs et en les comparant aux prédictions théoriques, les physiciens peuvent mieux comprendre cette particule unique, et dans le processus, rechercher des écarts par rapport aux prédictions qui indiqueraient de nouveaux processus physiques au-delà de notre compréhension actuelle de la physique des particules.

Un de ces écarts pourrait être la vitesse à laquelle les bosons de Higgs sont produits dans des conditions particulières. Plus le moment transversal du boson de Higgs est grand, c'est-à-dire la quantité de mouvement du boson de Higgs perpendiculaire à la direction des faisceaux de protons du Grand collisionneur de hadrons (LHC) - plus nous pensons que la sensibilité aux nouveaux processus physiques du lourd, particules encore invisibles.

H→bb est le canal de recherche idéal pour rechercher de tels écarts de cadence de production. En tant que désintégration la plus probable du boson de Higgs (représentant environ 58 % de toutes les désintégrations du boson de Higgs), sa plus grande abondance permet aux physiciens de sonder plus loin dans les régions à forte dynamique transversale, où le taux de production diminue en raison de la structure composite des protons en collision.

Dans les nouveaux résultats publiés ce mois-ci, la collaboration ATLAS au CERN a étudié l'ensemble de données LHC Run 2 pour fournir une mesure mise à jour de H→bb, où le boson de Higgs est produit en association avec un boson vecteur (W ou Z). Parmi plusieurs nouveaux résultats, ATLAS rapporte l'observation de la production du boson de Higgs en association avec un boson Z avec une signification de 5,3 écarts-types (σ), et preuve de production avec un boson W avec une signification de 4,0 σ.

La nouvelle analyse utilise environ 75 % de données en plus que l'édition précédente. Plus loin, Les physiciens d'ATLAS ont mis en œuvre plusieurs améliorations, notamment :

• Les algorithmes d'apprentissage automatique de l'arbre de décision amélioré (BDT) sont utilisés pour séparer les collisions contenant un boson de Higgs de celles contenant uniquement des processus d'arrière-plan. La figure 2 montre la séparation réalisée entre ces processus par l'un des BDT.
• Sélections mises à jour utilisées pour identifier les collisions d'intérêt enrichies dans les divers processus d'arrière-plan. Ces « régions de contrôle » ont permis aux physiciens de mieux comprendre et maîtriser les processus de fond.
• Augmentation du nombre de collisions simulées. Bien qu'essentiel pour prédire les arrière-plans d'une mesure, simuler des collisions dans tout le détecteur ATLAS est un processus exigeant en calcul. Dans cette nouvelle analyse, les équipes d'ATLAS ont fait de gros efforts pour multiplier par quatre le nombre de collisions simulées par rapport à l'analyse précédente.

Ces améliorations ont permis aux physiciens d'ATLAS de faire des mesures plus précises du taux de production du boson de Higgs à différentes impulsions transversales, et d'étendre leur portée à des valeurs plus élevées.

Les physiciens d'ATLAS ont également annoncé une extension de l'étude H→bb :une nouvelle version de l'analyse conçue pour sonder le boson de Higgs lorsqu'il est produit avec de très grandes impulsions transverses. Normalement, les deux quarks b de la désintégration H→bb se manifestent dans le détecteur ATLAS sous la forme de deux pulvérisations distinctes de particules hautement collimatées et énergétiques, appelés "jets". Cependant, lorsque le boson de Higgs est produit à une très grande quantité de mouvement transverse, dépassant le double de la masse du boson de Higgs de 125 GeV, le système H→bb est « boosté ». Les deux quarks b ont alors tendance à être produits à proximité l'un de l'autre, fusionner en un seul jet, comme indiqué dans l'affichage d'événement ci-dessus. La nouvelle analyse a utilisé différents algorithmes de reconstruction de jet b adaptés à ce régime amplifié. Ils ont permis aux physiciens d'identifier les désintégrations H→bb amplifiées, reconstruire la masse du boson de Higgs, et identifier un excès par rapport aux processus de fond, comme le montre la figure 3.

La nouvelle technique a permis à ATLAS d'explorer l'espace de phase particulièrement intéressant du boson de Higgs des grands événements d'impulsion transverse avec une efficacité améliorée. Cela a en outre permis aux physiciens d'examiner les bosons de Higgs produits à des valeurs d'impulsion transverse encore plus élevées, une avancée importante dans la recherche d'une nouvelle physique.

Ces analyses sont des étapes vitales dans un long cheminement vers la mesure des propriétés du boson de Higgs. Alors que les physiciens améliorent encore leurs algorithmes, améliorer leur compréhension des processus en arrière-plan et collecter plus de données, ils s'aventurent toujours plus loin dans un territoire inexploré où une nouvelle physique peut les attendre.