Les collaborations ATLAS et CMS ont présenté leurs derniers résultats sur de nouvelles signatures pour la détection du boson de Higgs au Grand collisionneur de hadrons du CERN. Il s'agit notamment de rechercher des transformations rares du boson de Higgs en un boson Z - qui est porteur de l'une des forces fondamentales de la nature - et une seconde particule. L'observation et l'étude des transformations qui devraient être rares aident à faire progresser notre compréhension de la physique des particules et pourraient également ouvrir la voie à une nouvelle physique si les observations diffèrent des prédictions. Les résultats comprenaient également des recherches de signes de transformations de Higgs en particules « invisibles », qui pourrait faire la lumière sur des particules potentielles de matière noire. Les analyses ont porté sur près de 140 femtobarns inverses de données, soit environ 10 millions de milliards de collisions proton-proton, enregistrés entre 2015 et 2018.

Les détecteurs ATLAS et CMS ne peuvent jamais voir directement un boson de Higgs :une particule éphémère, il se transforme (ou "se désintègre") en particules plus légères presque immédiatement après avoir été produit lors de collisions proton-proton, et les particules plus légères laissent des signatures révélatrices dans les détecteurs. Cependant, des signatures similaires peuvent être produites par d'autres processus de modèle standard. Les scientifiques doivent donc d'abord identifier les pièces individuelles qui correspondent à cette signature, puis rassembler suffisamment de preuves statistiques pour confirmer que les collisions ont bien produit des bosons de Higgs.

Lors de sa découverte en 2012, le boson de Higgs a été observé principalement dans les transformations en paires de bosons Z et en paires de photons. Ces "canaux de désintégration" ont des signatures relativement propres les rendant plus facilement détectables, et ils ont été observés au LHC. D'autres transformations ne devraient se produire que très rarement, ou d'avoir une signature moins claire, et sont donc difficiles à repérer.

Au LHCP, ATLAS a présenté les derniers résultats de ses recherches sur l'un de ces processus rares, dans laquelle un boson de Higgs se transforme en un boson Z et un photon (γ). Le Z ainsi produit, étant lui-même instable, se transforme en paires de leptons, soit des électrons, soit des muons, laissant une signature de deux leptons et un photon dans le détecteur. Compte tenu de la faible probabilité d'observer une transformation de Higgs en Z ?? avec le volume de données analysé, ATLAS a pu exclure la possibilité que plus de 0,55 % des bosons de Higgs produits dans le LHC se transforment en Z ?? . "Avec cette analyse, " dit Karl Jakobs, porte-parole de la collaboration ATLAS, "nous pouvons montrer que notre sensibilité expérimentale pour cette signature est maintenant proche de la prédiction du modèle standard." La meilleure valeur extraite pour la force du signal H→Zγ, défini comme le rapport entre le rendement de signal observé et le rendement de signal prévu du modèle standard, se trouve être 2.0 ^+1.0 -0,9 .

CMS a présenté les résultats de la première recherche de transformations de Higgs impliquant également un boson Z mais accompagnées d'un méson ρ (rho) ou φ (phi). Le boson Z se transforme à nouveau en paires de leptons, tandis que la seconde particule se transforme en paires de pions (ππ) dans le cas du et en paires de kaons (KK) dans le cas du . « Ces transformations sont extrêmement rares, " dit Roberto Carlin, porte-parole de la collaboration CMS, "et ne devraient pas être observés au LHC à moins que la physique au-delà du modèle standard ne soit impliquée." Les données analysées ont permis à CMS d'exclure que plus d'environ 1,9% des bosons de Higgs pourraient se transformer en Zρ et plus de 0,6% pourraient se transformer en Zφ. Bien que ces limites soient bien supérieures aux prévisions du modèle standard, ils démontrent la capacité des détecteurs à faire des percées dans la recherche d'une physique au-delà du modèle standard.

Le soi-disant "secteur sombre" comprend des particules hypothétiques qui pourraient constituer de la matière noire, l'élément mystérieux qui représente plus de cinq fois la masse de matière ordinaire dans l'univers. Les scientifiques pensent que le boson de Higgs pourrait contenir des indices sur la nature des particules de matière noire, car certaines extensions du modèle standard proposent qu'un boson de Higgs pourrait se transformer en particules de matière noire. Ces particules n'interagiraient pas avec les détecteurs ATLAS et CMS, ce qui signifie qu'ils restent "invisibles" pour eux. Cela leur permettrait d'échapper à la détection directe et de se manifester comme « l'énergie manquante » dans l'événement de collision. Au LHCP, ATLAS a présenté sa dernière limite supérieure - de 13% - sur la probabilité qu'un boson de Higgs puisse se transformer en particules invisibles connues sous le nom de particules massives à interaction faible, ou WIMPs, tandis que CMS a présenté les résultats d'une nouvelle recherche sur les transformations de Higgs en quatre leptons via au moins un "photon noir" intermédiaire, présentant également des limites à la probabilité qu'une telle transformation se produise au LHC.

Le boson de Higgs continue de s'avérer inestimable pour aider les scientifiques à tester le modèle standard de la physique des particules et à rechercher une physique qui pourrait se trouver au-delà. Ce ne sont là que quelques-uns des nombreux résultats concernant le boson de Higgs qui ont été présentés au LHCP.

Note technique

Lorsque les volumes de données ne sont pas suffisamment élevés pour prétendre à une observation précise d'un processus particulier, les physiciens peuvent prédire les limites qu'ils s'attendent à imposer au processus. Dans le cas des transformations de Higgs, ces limites sont basées sur le produit de deux termes :la vitesse à laquelle un boson de Higgs est produit dans les collisions proton-proton (section efficace de production) et la vitesse à laquelle il subira une transformation particulière en particules plus légères (fraction de ramification).

ATLAS s'attendait à placer une limite supérieure de 1,7 fois l'attente du modèle standard pour le processus impliquant des transformations de Higgs en un boson Z et un photon (H→Zγ) si une telle transformation n'était pas présente ; la collaboration a pu placer une limite supérieure de 3,6 fois cette valeur, approche de la sensibilité aux prédictions du modèle standard. Les recherches CMS portaient sur un processus beaucoup plus rare, prédit par le modèle standard de ne se produire qu'une fois sur un million de transformations de Higgs, et la collaboration a pu fixer des limites supérieures d'environ 1000 fois les attentes du modèle standard pour les processus H→Zρ et H→Zφ.