Figure 1 :La distribution pondérée de l'angle azimutal entre deux jets dans la région du signal utilisée dans la mesure CP. Les rendements de signal et de fond sont déterminés à partir de l'ajustement. Les ratios données/simulation sont indiqués au bas du graphique. L'histogramme bleu représente le signal mesuré; les zones ombrées représentent l'incertitude totale. Crédit :Collaboration ATLAS/CERN
Pour expliquer les masses des bosons électrofaibles – les bosons W et Z – les théoriciens des années 1960 ont postulé un mécanisme de brisure spontanée de la symétrie. Bien que ce formalisme mathématique soit relativement simple, sa pierre angulaire, le boson de Higgs, est restée indétectable pendant près de 50 ans.
Depuis sa découverte en 2012, Les chercheurs des expériences ATLAS et CMS du Grand collisionneur de hadrons (LHC) du CERN ont étudié sans relâche les propriétés du boson de Higgs. Ils ont mesuré sa masse à environ 125 GeV, soit environ 130 fois la masse du proton au repos, et ont découvert qu'il n'avait ni charge électrique ni spin.
L'image miroir
Les chercheurs ont entrepris de déterminer les propriétés de parité du boson de Higgs en mesurant ses désintégrations en paires de bosons W (H → WW *), aux bosons Z (H → ZZ*) et aux photons (H → γγ). Grâce à ces mesures, ils ont confirmé que le boson de Higgs a même la parité de charge (CP). Cela signifie que, comme le prédit le modèle standard, les interactions du boson de Higgs avec d'autres particules ne changent pas lorsqu'on « regarde » dans le miroir CP.
Comme toute distorsion dans ce miroir CP (ou "violation CP dans les interactions de Higgs"), tels que le mélange CP-impair, indiquerait la présence de phénomènes non encore découverts, les physiciens du LHC examinent avec beaucoup d'attention les forces des couplages boson de Higgs. Un nouveau résultat de la Collaboration ATLAS, publié pour la conférence Higgs 2020, vise à enrichir l'image de Higgs en étudiant ses désintégrations WW*.
Une nouvelle étude ATLAS examine la nature CP du couplage effectif entre le boson de Higgs et les gluons (les particules médiatrices de la force forte). Jusqu'à maintenant, la production induite par la fusion de gluons d'un boson de Higgs, en association avec deux jets de particules, n'avait pas fait l'objet d'une analyse dédiée. L'étude de ce mécanisme de production est un excellent moyen de rechercher des signes de violation de CP, car elle affecte la cinématique du boson de Higgs, laissant une trace dans l'angle azimutal entre les jets mesurés par ATLAS.
Figure 2 :La distribution pondérée de l'angle azimutal entre deux jets dans la région du signal utilisée dans la mesure de polarisation. Les rendements de signal et de fond sont déterminés à partir de l'ajustement. Les ratios données/simulation sont indiqués au bas du graphique. L'histogramme rouge représente le signal mesuré; les zones ombrées représentent l'incertitude totale Crédit :Collaboration ATLAS/CERN
Filtre de polarisation
Aux hautes énergies, les forces faible et électromagnétique se confondent en une seule force électrofaible. Pourtant à basse énergie, les ondes électromagnétiques (telles que la lumière) peuvent parcourir une distance infinie, tandis que les interactions faibles ont une portée finie. En effet, contrairement aux photons (les porteurs de la force électromagnétique), Les bosons W et Z sont massifs. Leurs masses proviennent d'interactions avec le champ de Higgs.
Une autre différence est que les ondes électromagnétiques sont transversales; les oscillations du champ électromagnétique ne se produisent que dans le plan perpendiculaire à sa propagation. bosons W et Z, d'autre part, ont à la fois des polarisations longitudinales et transversales en raison de leurs interactions avec le champ de Higgs. Il existe une interaction subtile entre ces polarisations longitudinales et les masses de bosons qui garantit que les prédictions du modèle standard restent finies.
Si le boson de Higgs n'est pas une particule scalaire fondamentale, et plutôt une entité issue d'une nouvelle dynamique, un mécanisme différent (plus compliqué) devrait donner de la masse aux bosons W et Z. Dans ce cas, les couplages mesurés du boson de Higgs avec les bosons électrofaibles peuvent s'écarter des valeurs prédites du modèle standard.
La collaboration ATLAS a publié sa première étude des couplages individuels du boson de Higgs dépendant de la polarisation à des bosons électrofaibles massifs. Spécifiquement, des physiciens ont examiné la production de bosons de Higgs par fusion vecteur-boson en association avec deux jets. Tout comme un filtre polarisant vous aide à prendre une photo plus nette au bord de la mer en absorbant sélectivement la lumière polarisée, cette nouvelle étude ATLAS a étudié les couplages individuels du boson de Higgs avec des bosons électrofaibles polarisés longitudinalement et transversalement. Plus loin, similaire à l'étude du couplage boson de Higgs aux gluons, la présence d'un nouveau mécanisme impacterait la cinématique des jets mesurée par ATLAS.
Suivez ces jets !
Le principal défi de ces analyses est la rareté des événements du boson de Higgs étudiés. Pour les sélections de signaux étudiées dans le nouveau résultat ATLAS, seulement environ 60 bosons de Higgs sont observés par fusion de gluons et seulement 30 bosons de Higgs par fusion vecteur-boson. Pendant ce temps, les événements de fond sont presque cent fois plus abondants. Pour relever ce défi, les deux analyses ont non seulement compté les événements, mais ont également examiné les formes de l'angle azimutal (l'angle transversal à la direction des faisceaux de protons) entre les deux jets. La corrélation entre ces jets a aidé à résoudre les propriétés de la production du boson de Higgs.
Les chercheurs ont utilisé la technique du morphing des paramètres pour interpoler et extrapoler la distribution de cet angle à partir d'un petit ensemble de références de couplage à une grande variété de scénarios de couplage. Les distributions ajustées de l'angle azimutal entre les jets sont illustrées dans les figures 1 et 2.
Jusque là, les deux distributions ne montrent aucun signe de nouvelle physique. Une fois les données du LHC analysées (ces études n'incluent que les données collectées en 2015 et 2016), les zones ombrées dans les graphiques qui représentent l'incertitude de la mesure devraient diminuer. Cela fournira une image encore plus nette du boson de Higgs.
