Depuis la découverte du boson de Higgs en 2012, les scientifiques du Large Hadron Collider (LHC) ont étudié les propriétés de cette particule très spéciale et sa relation avec le mécanisme fondamental essentiel à la génération de masse des particules élémentaires. Une propriété qui reste à vérifier expérimentalement est de savoir si le boson de Higgs est capable de se coupler à lui-même, connu sous le nom d'auto-accouplement. Une telle interaction contribuerait à la production d'une paire de bosons de Higgs dans les collisions proton-proton à haute énergie du LHC, un processus incroyablement rare dans le modèle standard, plus de 1000 fois plus rare que la production d'un seul boson de Higgs ! Mesurer un auto-couplage du boson de Higgs différent de la valeur prédite aurait des conséquences importantes; l'univers pourrait être capable de passer à un état d'énergie inférieure et les lois qui régissent les interactions de la matière pourraient prendre une forme très différente.

Lors de la conférence en cours des Rencontres de Moriond, la collaboration ATLAS a présenté le résultat d'une étude qui approfondit cette question. Les physiciens d'ATLAS ont recherché les deux processus de production de paires de Higgs intimement liés qui pourraient être présents dans les collisions du LHC, bien qu'un seul d'entre eux soit lié à l'auto-couplage du boson de Higgs et contribue favorablement à la production de paires de Higgs lorsque leur masse totale est faible. Ces deux processus interfèrent de manière quantique et suppriment la production de paires de bosons de Higgs dans le modèle standard. Si un nouveau phénomène physique est en jeu, cela pourrait changer l'auto-couplage du boson de Higgs et ATLAS pourrait voir plus de paires de bosons de Higgs que prévu - ou dans le jargon de la physique des particules, mesurer une section plus élevée.

Pour leur nouvelle étude, Les physiciens d'ATLAS ont développé de nouvelles techniques d'analyse pour rechercher le processus rare dans lequel l'un des deux bosons de Higgs se désintègre en deux photons et l'autre en deux quarks inférieurs (HH → ɣɣbb). D'abord, ils ont divisé les événements de collision proton-proton en régions de masse faible et élevée, afin d'optimiser la sensibilité à l'auto-couplage du boson de Higgs. Puis, à l'aide d'un algorithme d'apprentissage automatique, ils ont séparé les événements qui ressemblent au processus HH → ɣɣbb de ceux qui ne le font pas. Finalement, ils ont déterminé la section efficace pour la production de paires de Higgs et observé comment elle varie en fonction du rapport de l'auto-couplage du boson de Higgs à sa valeur du modèle standard. Cela a permis à ATLAS de contraindre l'auto-couplage du boson de Higgs, entre –1,5 et 6,7 fois la prédiction du modèle standard, et aussi la section efficace de production de paires de Higgs. Le résultat sur l'auto-couplage du boson de Higgs est plus de deux fois plus puissant que le résultat ATLAS précédent dans le même canal de désintégration de paires de Higgs.

Bien que ce résultat pose les meilleures contraintes au monde sur la taille de l'auto-couplage du boson de Higgs, le travail ne fait que commencer. Ceci est un aperçu de ce qui est à venir, autant plus de données seraient nécessaires pour observer l'auto-couplage du boson de Higgs s'il était proche de sa prédiction du modèle standard. L'observation de l'auto-couplage du boson de Higgs est en effet l'une des raisons d'être du programme LHC à haute luminosité (HL-LHC), une mise à niveau du LHC dont l'exploitation est prévue à la fin des années 2020. Le HL-LHC devrait fournir un ensemble de données plus de 20 fois plus grand que celui utilisé dans cette analyse et fonctionner à une énergie de collision plus élevée. Si la production de paires de Higgs est telle que prédite par le modèle standard, il devrait être observé dans cet énorme ensemble de données, et une déclaration plus quantitative sera faite sur la force du couplage du boson de Higgs à lui-même.