Depuis la découverte du boson de Higgs en 2012, Les scientifiques des collaborations ATLAS et CMS au Grand collisionneur de hadrons (LHC) ont travaillé dur pour caractériser ses propriétés et traquer les diverses façons dont cette particule éphémère peut se désintégrer. De la désintégration abondante mais expérimentalement difficile aux quarks b, à la désintégration exquisement rare mais à faible bruit de fond en quatre leptons, chacune offre une voie différente pour étudier les propriétés de cette nouvelle particule. Maintenant, ATLAS a trouvé la première preuve de la désintégration du boson de Higgs en deux leptons (soit un électron, soit une paire de muons de charge opposée) et un photon. Connu sous le nom de « désintégration de Dalitz, " Il s'agit de l'une des désintégrations du boson de Higgs les plus rares jamais vues au LHC.

Pour cette analyse, Les physiciens d'ATLAS ont ciblé une désintégration du boson de Higgs médiée par un photon virtuel. Contrairement à l'écurie familière, photon sans masse, cette particule virtuelle a généralement une masse très petite (mais non nulle) et se désintègre instantanément en deux leptons.

Les physiciens d'ATLAS ont recherché dans l'ensemble de données LHC Run 2 des événements de collision avec un photon ainsi que deux leptons dont la masse combinée était inférieure à 30 GeV. Dans cette région, les désintégrations avec des photons virtuels devraient dominer les autres processus qui produisent le même état final. ATLAS a mesuré un taux de signal du boson de Higgs dans ce canal de désintégration qui est de 1,5 ± 0,5 fois l'attente du modèle standard. La probabilité que le signal observé soit causé par une fluctuation de l'arrière-plan est de 3,2 sigma, soit moins de 1 sur 1000.

Avec de vastes quantités de données attendues du prochain programme LHC à haute luminosité, l'étude des désintégrations rares du boson de Higgs deviendra la nouvelle norme. Cela permettra aux physiciens de passer du rapport des preuves de leur existence, à confirmer leur observation et à mener des études détaillées des propriétés du boson de Higgs, ce qui a conduit à des tests de plus en plus rigoureux du modèle standard.

L'observation de la désintégration du boson de Higgs en un photon et une paire de leptons permettra aux physiciens d'étudier la symétrie de parité de charge (CP). La symétrie CP est une façon de dire que l'image miroir des particules en interaction, où les particules sont remplacées par leurs antiparticules, doit ressembler exactement à l'interaction d'origine. C'était une hypothèse naturelle jusqu'en 1964, lorsque des physiciens étudiant les particules de kaons ont remarqué - à leur grande surprise - que ce n'est pas le cas dans le monde de la physique des particules. Depuis, les physiciens ont appris que la violation de la symétrie CP est une signature de l'interaction électrofaible et l'ont incorporée dans le modèle standard.

Mais avec la désintégration du boson de Higgs en trois particules, dont deux payants, les physiciens seront en mesure d'examiner si les désintégrations ont une direction privilégiée, ce qui permettra aux chercheurs d'améliorer leur compréhension des origines de la violation de la symétrie CP et peut-être même conduire à des pistes pour une nouvelle physique au-delà du modèle standard.