Lors de la 40e conférence de l'ICHEP, les expériences ATLAS et CMS ont annoncé de nouveaux résultats qui montrent que le boson de Higgs se désintègre en deux muons. Le muon est une copie plus lourde de l'électron, l'une des particules élémentaires qui constituent le contenu en matière de l'Univers. Alors que les électrons sont classés comme une particule de première génération, les muons appartiennent à la deuxième génération. Le processus physique de désintégration du boson de Higgs en muons est un phénomène rare car seul un boson de Higgs sur 5000 se désintègre en muons. Ces nouveaux résultats ont une importance capitale pour la physique fondamentale car ils indiquent pour la première fois que le boson de Higgs interagit avec des particules élémentaires de deuxième génération.

Les physiciens du CERN étudient le boson de Higgs depuis sa découverte en 2012 afin de sonder les propriétés de cette particule très spéciale. Le boson de Higgs, produit à partir de collisions de protons au Large Hadron Collider, se désagrège—appelé désintégration—presque instantanément en d'autres particules. L'une des principales méthodes d'étude des propriétés du boson de Higgs consiste à analyser la façon dont il se désintègre en diverses particules fondamentales et le taux de désintégration.

CMS a obtenu la preuve de cette décroissance avec 3 sigma, ce qui signifie que la chance de voir le boson de Higgs se désintégrer en une paire de muons à partir d'une fluctuation statistique est inférieure à une sur 700. Le résultat à deux sigma d'ATLAS signifie que les chances sont de une sur 40. La combinaison des deux résultats augmenterait la signification bien au-dessus de 3 sigma et fournit des preuves solides de la désintégration du boson de Higgs en deux muons.

"CMS est fier d'avoir atteint cette sensibilité à la désintégration des bosons de Higgs en muons, et de montrer la première preuve expérimentale de ce processus. Le boson de Higgs semble interagir également avec des particules de deuxième génération en accord avec la prédiction du modèle standard, un résultat qui sera encore affiné avec les données que nous prévoyons de collecter lors de la prochaine exécution, " a déclaré Roberto Carlin, porte-parole de l'expérience CMS.

Le boson de Higgs est la manifestation quantique du champ de Higgs, qui donne de la masse aux particules élémentaires avec lesquelles il interagit, via le mécanisme de Brout-Englert-Higgs. En mesurant la vitesse à laquelle le boson de Higgs se désintègre en différentes particules, les physiciens peuvent déduire la force de leur interaction avec le champ de Higgs :plus le taux de désintégration en une particule donnée est élevé, plus son interaction avec le terrain est forte. Jusque là, les expériences ATLAS et CMS ont observé la désintégration du boson de Higgs en différents types de bosons tels que W et Z, et des fermions plus lourds tels que les leptons tau. L'interaction avec les quarks les plus lourds, le haut et le bas, a été mesuré en 2018. Les muons sont beaucoup plus légers en comparaison et leur interaction avec le champ de Higgs est plus faible. Les interactions entre le boson de Higgs et les muons ont eu, donc, jamais vu au LHC.

« Cette preuve de la désintégration du boson de Higgs en particules de matière de deuxième génération complète un programme de physique de Higgs très réussi. Les mesures des propriétés du boson de Higgs ont atteint un nouveau niveau de précision et les modes de désintégration rares peuvent être abordés. Ces réalisations reposent sur grand ensemble de données LHC, l'efficacité et les performances exceptionnelles du détecteur ATLAS et l'utilisation de nouvelles techniques d'analyse, " a déclaré Karl Jakobs, porte-parole d'ATLAS.

Ce qui rend ces études encore plus difficiles, c'est que, au LHC, pour chaque boson de Higgs prédit se désintégrant en deux muons, il existe des milliers de paires de muons produites par d'autres processus qui imitent la signature expérimentale attendue. La signature caractéristique de la désintégration du boson de Higgs en muons est un petit excès d'événements qui se regroupent près d'une masse de paires de muons de 125 GeV, qui est la masse du boson de Higgs. Isoler les interactions entre le boson de Higgs et les paires de muons n'est pas une mince affaire. Faire cela, les deux expériences mesurent l'énergie, quantité de mouvement et angles des candidats muons de la désintégration du boson de Higgs. En outre, la sensibilité des analyses a été améliorée grâce à des méthodes telles que des stratégies de modélisation d'arrière-plan sophistiquées et d'autres techniques avancées telles que des algorithmes d'apprentissage automatique. CMS a combiné quatre analyses distinctes, chacun optimisé pour catégoriser les événements physiques avec des signaux possibles d'un mode de production de boson de Higgs spécifique. ATLAS a divisé ses événements en 20 catégories ciblant des modes de production spécifiques du boson de Higgs.

Les résultats, qui sont jusqu'à présent cohérents avec les prédictions du modèle standard, utilisé l'ensemble des données recueillies lors de la deuxième période d'exploitation du LHC. Avec plus de données à enregistrer de la prochaine exécution de l'accélérateur de particules et avec le LHC à haute luminosité, les collaborations ATLAS et CMS espèrent atteindre la sensibilité (5 sigma) nécessaire pour établir la découverte de la désintégration du boson de Higgs à deux muons et contraindre les théories physiques possibles au-delà du modèle standard qui affecteraient ce mode de désintégration du boson de Higgs.