Événement candidat pour la production par fusion vecteur-boson d'un boson de Higgs avec désintégration subséquente en bosons W à désintégration leptonique. Les particules à l'état final sont un électron (jaune), muon (turquoise) et deux jets avant (vert et rouge). La flèche blanche indique une quantité de mouvement transverse manquante. Crédit :Collaboration ATLAS/CERN
La découverte du boson de Higgs en 2012 n'était qu'un début. Les physiciens ont immédiatement commencé à mesurer ses propriétés, une enquête qui est toujours en cours alors qu'ils tentent de découvrir si le mécanisme de Higgs est réalisé dans la nature comme le prédit le modèle standard de la physique des particules. Plus tôt ce printemps, des chercheurs de l'expérience ATLAS du CERN ont annoncé avoir mesuré le boson de Higgs dans ses désintégrations en bosons W. Les bosons W sont particulièrement intéressants dans ce contexte, car les propriétés de leur auto-interaction (diffusion du boson vectoriel) ont donné de la crédibilité au mécanisme qui a prédit le boson de Higgs.
Les bosons de Higgs produits au Large Hadron Collider (LHC) vivent une vie très courte de seulement 10 -22 secondes avant qu'ils ne se désintègrent. Ils révèlent deux fois leurs propriétés au monde extérieur :lors de leur production et de leur décomposition. Le nouveau résultat d'ATLAS a étudié le boson de Higgs à ces deux moments, en regardant sa production via deux méthodes différentes et sa désintégration subséquente en deux bosons W (H➝WW*). Comme un boson de Higgs sur cinq se désintègre en bosons W, c'est le canal idéal pour étudier son couplage aux bosons vecteurs. Les chercheurs se sont également concentrés sur les moyens les plus courants de produire la célèbre particule, via la fusion de gluons (ggF) et la fusion vecteur-boson (VBF).
La mesure Avocat
Les physiciens d'ATLAS ont quantifié la fréquence à laquelle le boson de Higgs interagit avec les bosons W. Après avoir comparé leur mesure et leur simulation dans un histogramme afin de démontrer qu'ils pouvaient modéliser les données avec précision (voir Figure 3), les chercheurs ont effectué une analyse statistique de la section transversale des processus. Le résultat est affiché dans la figure 2, où les modes de production ggF et VBF sont indiqués séparément sur les deux axes. Le résultat ATLAS est indiqué par une étoile, et est entouré de bandes brunes et vertes qui représentent les incertitudes. Si l'analyse devait être répétée plusieurs fois sur des données différentes, 68 ou 95% de ces répétitions doivent se situer dans les bandes fermées.
Cette « parcelle d'avocat » amoureusement baptisée illustre non seulement les résultats expérimentaux, mais aussi la prédiction par le modèle standard (indiquée par une croix rouge). Cela indique que le résultat de la mesure est en bon accord avec la prédiction théorique. Si un écart plus important entre l'expérience et la théorie était observé, cela pourrait faire allusion à des phénomènes actuellement inconnus. Même si le modèle standard est bien établi, il est connu pour être incomplet, ce qui incite à rechercher de tels écarts.
Figure 2 :Mesure en coupe transversale de la production de boson de Higgs via le processus de fusion de gluons (axe y) et de fusion vecteur-boson (axe x). L'étoile affiche la valeur de mesure et la croix la valeur prédite par le Modèle Standard (entourée d'un trait indiquant l'incertitude théorique). Les deux s'accordent bien dans les incertitudes. Crédit :Collaboration ATLAS/CERN
Le nouveau joueur
Les physiciens n'ont pu confirmer que récemment que le mode de production VBF contribue également au processus H➝WW*. Maintenant, les analyseurs ont considérablement amélioré leur résultat en utilisant un réseau de neurones, la même technique qui permet aux ordinateurs d'identifier les personnes sur les images. En utilisant ce réseau de neurones, ils ont pu améliorer considérablement la séparation des événements VBF des événements ggF plus fréquents et des autres contributions de fond.
Parmi les quelques dizaines d'événements dont les propriétés sont très compatibles avec la production VBF du boson de Higgs, les chercheurs en ont sélectionné un pour montrer à quoi ressemblent ces événements dans le détecteur (voir l'affichage des événements). Le mode de production VBF se distingue par les deux jets de hadrons bien séparés atteignant les régions avant du détecteur ATLAS. Ils reculent contre les particules de désintégration des bosons W :l'électron et le muon.
Figure 3 :Les événements de données sélectionnés pour le mode de production de ggF sont comparés aux prédictions en fonction de la masse transversale du boson de Higgs. Le signal du boson de Higgs est représenté en rouge sur fond de production principalement de quark top (jaune) et de WW (violet). Le panneau du milieu montre le rapport entre les données et la somme de toutes les simulations, tandis que le panneau du bas compare les données à la somme de toutes les prédictions. Crédit :Collaboration ATLAS/CERN
Qu'est-ce qui vous attend à long terme ?
D'un point de vue expérimental, il est logique d'analyser le boson de Higgs en fonction de sa désintégration dans le détecteur, sonder les caractéristiques de la désintégration avec précision. Mais pour mesurer les propriétés du mode de production, différentes analyses centrées sur la décroissance doivent être combinées. Pour rationaliser ce processus, les physiciens utilisent des coupes transversales modèles simplifiées (STXS). Celui-ci catégorise les collisions de particules selon les propriétés associées au mode de production, permettant ainsi aux physiciens de mesurer tous les taux d'événements individuellement. Parce que la catégorisation est standardisée entre les analyses et même entre les expériences, les combinaisons ultérieures sont facilitées.
Malgré les améliorations remarquables de ce nouveau résultat, la véritable puissance de l'approche STXS deviendra apparente en combinaison avec d'autres analyses. ATLAS a produit une combinaison STXS l'année dernière, et la prochaine itération bénéficiera de la puissance de cette nouvelle mesure H➝WW*.
