Figure 1 :Distributions post-ajustement de la masse combinée des candidats boson W et boson de Higgs dans une région de signal d'intérêt pour W'. (Ici le 2 b-tag, région fusionnée.) La région de couleur unie indique l'arrière-plan du modèle standard, les points noirs avec des barres d'erreur indiquent les données expérimentales, et la ligne pointillée indique des événements hypothétiques pour un boson de 2 TeV W'. Le graphique du bas montre le rapport entre les données et l'arrière-plan total du modèle standard. Crédit :Collaboration ATLAS/CERN
Depuis la découverte du boson de Higgs en 2012, la collaboration ATLAS au CERN s'efforce de comprendre ses propriétés. Une question en particulier se pose :pourquoi le boson de Higgs a-t-il la masse qu'il a ? Les expériences ont mesuré sa masse à environ 125 GeV - pourtant le modèle standard implique qu'il a une masse beaucoup plus grande et nécessite une très grande correction des mathématiques afin d'aligner la théorie avec l'observation, menant au "problème de naturalité".
Cet écart pourrait être résolu si un nouveau type d'interaction existait, en plus des quatre forces fondamentales connues (gravité, électromagnétisme, fort et faible). Cette interaction se traduirait par de nouvelles particules porteuses de force (bosons) avec des masses beaucoup plus grandes que tout ce qui est actuellement dans le modèle standard. Parmi plusieurs théories décrivant cette interaction figurent les modèles de « triplet de vecteurs lourds » (HVT), qui suggèrent qu'une nouvelle particule, le boson « W prime » (W'), pourrait être produite avec les énergies de collision accessibles au LHC. Comme le nom l'indique, ces nouvelles particules lourdes interagiraient avec la force électrofaible et, après avoir été produit dans une collision, se désintégrerait très rapidement en un boson W et un boson de Higgs.
Une nouvelle recherche de la collaboration ATLAS, publié cette semaine lors de la conférence Large Hadron Collider Physics (LHCP 2021), fixe des limites sur la masse du boson W', en utilisant l'ensemble de données complet du LHC Run 2 collecté entre 2015 et 2018. La recherche cible l'état final "semiptonique", où le boson de Higgs se désintègre en une paire de quarks b, et le boson W se désintègre à la fois en un neutrino et un électron, lepton muon ou tau.
Figure 2 :Les limites d'exclusion combinées observées (attendues) à 95 % sur la section efficace de production du boson W' sont représentées par la ligne noire (bleue). Les lignes pointillées violettes et bleues indiquent la section efficace théorique en fonction de la masse pour une version de la théorie HVT avec une valeur spécifique du couplage avec le boson W du modèle standard. Toutes les masses W' en dessous et à gauche de chaque ligne pointillée sont exclues pour cette valeur de couplage. Crédit :Collaboration ATLAS/CERN
La large gamme de masses possibles pour le boson W' (de 400 GeV à 5 TeV) a posé des défis uniques aux physiciens d'ATLAS. Si la masse W' est à l'extrémité la plus lourde des prédictions, il produirait des bosons de Higgs avec des énergies plus élevées et les quarks b résultants émettraient deux "jets" (pulvérisations collimatées de particules) qui sont si proches l'un de l'autre qu'ils apparaissent comme un seul jet avec un grand rayon dans le détecteur ATLAS. Des masses W' plus petites, d'autre part, apparaîtrait comme deux jets distincts. Pour tenir compte de cette grande variation de fonctionnalités, la nouvelle analyse ATLAS a étudié plusieurs canaux distincts, chacun spécifiquement optimisé pour offrir la meilleure sensibilité à la nouvelle particule.
Comme le montre la figure 2, de nombreux processus du modèle standard beaucoup plus courants peuvent aboutir à la même signature que la désintégration W', il est donc crucial d'éliminer autant que possible ce fond de modèle standard. Les physiciens d'ATLAS ont utilisé un algorithme à plusieurs variables qui utilisait certaines caractéristiques cinématiques des désintégrations du quark b pour essayer de distinguer leurs jets de désintégration des autres, des saveurs plus légères de hadrons, créer des régions « une balise b » et « deux balises b ». En outre, amélioration de la recherche précédente des bosons W' avec un jeu de données partiel Run 2, les chercheurs ont utilisé de nouvelles techniques pour identifier et mesurer les jets dans le détecteur. Les jets "TrackCaloCluster" ont combiné les informations du système de suivi interne d'ATLAS et du calorimètre électromagnétique, tandis que les jets à « rayon variable » pourraient identifier plus efficacement les bosons de Higgs en permettant au rayon de ses jets de désintégration de changer avec différentes quantités de quantité de mouvement.
Les physiciens n'ont trouvé aucune preuve statistiquement significative d'un écart par rapport au modèle standard dans leur recherche. Les résultats ont été utilisés pour fixer de nouvelles limites, montré ici, sur la masse d'un hypothétique boson W', hors masses jusqu'à 3,15 TeV, ce qui représente une augmentation de près de 12% par rapport à la recherche ATLAS précédente d'un boson HVT W' avec un jeu de données partiel Run 2. La chasse à la nouvelle physique continue !
