Figure 2 :Distribution de masse Zγ pondérée des événements satisfaisant la sélection H→Zγ dans les données. Les événements sont pondérés par le signal attendu et le bruit de fond dans une fenêtre de masse Zγ contenant 68 % du signal attendu. La courbe bleue continue montre le signal ajusté plus le modèle d'arrière-plan tandis que la ligne pointillée montre le modèle de la composante d'arrière-plan de l'ajustement. Crédit :Collaboration ATLAS/CERN
Le boson de Higgs a été découvert par les collaborations ATLAS et CMS au Grand collisionneur de hadrons (LHC) du CERN en 2012 grâce à ses désintégrations en paires de photons, Les bosons W et les bosons Z. Depuis, Les physiciens de ces expériences ont acquis une grande compréhension des propriétés du boson de Higgs grâce à l'étude de ses différents processus de production et de désintégration. Des désintégrations en paires de leptons tau et de quarks bottom ont été établies, tout comme le couplage avec les quarks top. Cependant, la question reste de savoir si le boson de Higgs peut également interagir avec des particules ou des forces encore inconnues.
Huit ans après sa découverte, ATLAS a observé près de 90 % de toutes les désintégrations du boson de Higgs prédites par le modèle standard. Une désintégration rare du boson de Higgs qui n'a pas encore été observée est celle d'un boson Z et d'un photon (Zγ). Cette désintégration est d'un intérêt particulier pour les physiciens car elle passe par des processus impliquant des particules lourdes « virtuelles » (éventuellement nouvelles), lequel pourrait modifier son taux.
La collaboration ATLAS a publié un nouveau résultat de recherche de la désintégration du boson de Higgs en Zγ. Ce résultat utilise l'ensemble de données complet du LHC Run-2, analysant près de quatre fois plus d'événements liés au boson de Higgs que le résultat ATLAS précédent.
Selon le modèle standard, 0,15% des bosons de Higgs se désintègrent en Zγ - un taux comparable à la désintégration du boson de Higgs en deux photons, l'un des canaux de découverte. Cependant, contrairement aux photons, Les bosons Z se désintègrent presque instantanément et ne peuvent pas être observés directement. Au lieu, les bosons Z sont reconstruits par leurs désintégrations en paires d'électrons ou de muons. Comme moins de 7 % des bosons Z se désintègrent de cette manière, seulement un petit signal attendu d'environ 1 sur 10, 000 Les bosons de Higgs du modèle standard peuvent être sondés.
Figure 1 :Affichage de l'événement d'une désintégration candidate du boson de Higgs en un photon et un boson Z, où le boson Z se désintègre en deux muons (en rouge). Les rectangles verts correspondent aux dépôts d'énergie dans les cellules du calorimètre électromagnétique, tandis que les rectangles jaunes correspondent aux dépôts d'énergie dans les cellules du calorimètre hadronique. Crédit :Collaboration ATLAS/CERN
Pour séparer les événements du boson de Higgs des processus de fond abondants, Les physiciens d'ATLAS ont effectué un ajustement à la distribution de la masse du boson Z et du photon reconstruits. Cet ajustement détermine simultanément le nombre d'événements de signal et d'arrière-plan en utilisant les différentes formes du signal (pic étroit) et les processus d'arrière-plan (distribution fluide).
Pour améliorer la sensibilité de la recherche, les physiciens ont séparé les événements potentiels du boson de Higgs en plusieurs catégories, chacun avec des rapports signal/arrière-plan attendus différents. L'une de ces catégories, où le boson de Higgs est produit avec deux jets vers l'avant via l'interaction de deux bosons faibles, ont utilisé un discriminant multivarié (ou « arbre de décision boosté ») pour le distinguer des autres modes de production du boson de Higgs. D'autres catégories étaient caractérisées par la quantité de mouvement du photon ou le candidat boson de Higgs, ou si le boson Z s'est désintégré en paires d'électrons ou de muons.
Les physiciens ont examiné toutes ces catégories simultanément, étudier la distribution de la masse du boson Z et du photon reconstruits dans des événements sélectionnés pour rechercher un excès causé par les désintégrations des bosons de Higgs en Zγ. La figure 2 montre la distribution de masse du boson Z-plus-photon combinée sur toutes les catégories, avec les résultats de l'ajustement superposés.
Un rendement de signal environ deux fois supérieur à celui attendu du modèle standard, équivalent à une signification de 2,2 écarts-types (5 nécessaires pour déclarer une observation) a été trouvé dans les données. Le résultat permet aux physiciens d'ATLAS d'exclure, à un niveau de confiance de 95%, des taux de production de plus de 3,6 fois supérieurs à ce qui est prédit par le modèle standard. Plus de données sont nécessaires pour affiner la désintégration du boson de Higgs en Zγ.
