Lors de l’édition 2019 de la conférence sur la physique des hautes énergies organisée par la Société européenne de physique (EPS-HEP) à Gand (Belgique), les collaborations ATLAS et CMS ont présenté une série de nouveaux résultats. Il s’agit notamment de plusieurs analyses réalisées à partir de l’ensemble des données enregistrées lors de la deuxième exploitation du Grand collisionneur de hadrons (LHC) du CERN, à une énergie de collision de 13 TeV, entre 2015 et 2018. Parmi les résultats marquants figurent les mesures de précision les plus récentes portant sur le boson de Higgs. En l’espace de seulement sept ans depuis la découverte de cette particule unique en son genre, les scientifiques ont étudié de manière approfondie plusieurs de ses propriétés ; le boson de Higgs est ainsi en voie de devenir un outil puissant pour la recherche d’une nouvelle physique.

Les résultats concernent notamment de nouvelles recherches de transformations (ou « désintégrations ») du boson de Higgs en paires de muons et en paires de quark c. ATLAS et CMS ont toutes deux également mesuré des propriétés jusque-là inexplorées de désintégrations du boson de Higgs faisant intervenir des bosons électrofaibles (les bosons W et Z et le photon), et ont comparé ces mesures aux prédictions du Modèle standard de la physique des particules. ATLAS et CMS poursuivront ces études au cours de la troisième exploitation du LHC (de 2021 à 2023) et à l’ère du LHC à haute luminosité (à partir de 2026).

Le boson de Higgs est la manifestation quantique du champ de Higgs, présent partout dans l’Univers, qui donne leur masse aux particules élémentaires avec lesquelles il interagit, via le mécanisme de Brout-Englert-Higgs. Les scientifiques recherchent les interactions entre le boson de Higgs et les particules élémentaires, soit en étudiant des désintégrations particulières du boson de Higgs, soit en examinant des cas de production de ce boson en association avec d’autres particules. Le boson de Higgs se désintègre quasi instantanément après avoir été produit dans le LHC ; c’est en analysant les produits de sa désintégration que les scientifiques peuvent étudier son comportement.

Lors de la première exploitation du LHC (de 2010 à 2012), des désintégrations du boson de Higgs faisant intervenir des paires de bosons électrofaibles ont été observées. L’ensemble complet des données de la deuxième exploitation – de l’ordre de 140 femtobarns inverses pour chaque collaboration, soit l’équivalent de plus de dix millions de milliards de collisions – comporte un échantillon bien plus important de bosons de Higgs à étudier, permettant de réaliser des mesures des propriétés de cette particule avec une précision inégalée. ATLAS et CMS ont mesuré les « sections efficaces différentielles » des processus de désintégrations bosoniques, en examinant non seulement le taux de production des bosons de Higgs, mais aussi la distribution et l’orientation des produits de désintégration par rapport aux faisceaux de protons. Ces mesures permettent de mieux comprendre le mécanisme à la base de la production des bosons de Higgs. Les deux collaborations ont établi que, avec le niveau actuel d’incertitude statistique, les taux et distributions observés sont compatibles avec ceux prédits par le Modèle standard.

Étant donné que la force de l’interaction du boson de Higgs est proportionnelle à la masse des particules élémentaires impliquées, il interagit le plus fortement avec les particules de la génération la plus lourde des fermions, c’est-à-dire la troisième. Les expériences ATLAS et CMS avaient toutes deux déjà observé ces interactions. En revanche, les interactions avec les fermions de deuxième génération, plus légers, sont nettement plus rares. Lors de la conférence EPS-HEP, les deux collaborations ont rendu compte de leurs recherches d’interactions de cette deuxième génération de fermions, particulièrement insaisissables.

ATLAS a présenté le premier résultat de ses recherches de la désintégration de bosons de Higgs en paires de muons (H→μμ) basées sur l’ensemble des données de la deuxième période d’exploitation. Cette quête est rendue plus compliquée par la présence d’un important bruit de fond issu de processus plus habituels du Modèle standard produisant des paires de muons. «  Ce résultat montre que nous sommes à présent proches de la sensibilité nécessaire pour tester les prédictions du Modèle standard sur cette désintégration très rare du boson de Higgs, explique Karl Jakobs, porte-parole d’ATLAS. Toutefois, pour parvenir à une conclusion définitive sur la deuxième génération, nous aurons besoin des ensembles de données plus importants que nous fournira le LHC lors de sa troisième exploitation. »

CMS a pour sa part présenté le premier résultat de ses recherches de désintégrations du boson de Higgs en paires de quarks c (H→cc). Lorsque le boson de Higgs se désintègre en quarks, ces particules élémentaires produisent immédiatement des jets de nouvelles particules. « Identifier des jets issus de quarks c et les isoler d’autres types de jets représente un immense défi, indique Roberto Carlin, porte-parole de CMS. Nous sommes très heureux d’avoir montré que nous pouvons nous attaquer à ce canal de désintégration difficile.Nous avons développé des techniques d’apprentissage automatique novatrices pour nous aider dans cette tâche. »

Le boson de Higgs agit également en tant que médiateur de processus de physique dans lesquels les bosons électrofaibles se diffusent ou rebondissent. Les études de ces processus, basées sur de très grandes quantités de données, constituent un test puissant du Modèle standard. ATLAS a présenté les toutes premières mesures de la diffusion de deux bosons Z. L’observation de cette diffusion vient compléter le tableau pour les bosons W et Z, puisqu’ATLAS a déjà observé précédemment des processus de diffusion WZ, et que les deux collaborations ont rendu compte de processus WW. CMS a présenté la première observation d’une diffusion de bosons électrofaibles aboutissant à la production d’un boson Z et d’un photon.

« Les expériences avancent à grands pas dans la tâche monumentale consistant à comprendre le boson de Higgs, souligne Eckhard Elsen, directeur de la recherche et de l’informatique au CERN. Après l’observation des couplages du boson de Higgs avec des fermions de troisième génération, les expériences ont maintenant montré qu’elles disposent des outils nécessaires pour se lancer dans la recherche, encore plus difficile, de la deuxième génération. Le programme de physique de précision du LHC bat son plein. »

Plus d’informations (en anglais) :

ATLAS :
- Résumé des résultats présentés à EPS-HEP 2019 : https://atlas.cern/updates/atlas-news/new-results-eps-2019
- Notes d’information de physique sur les résultats présentés à EPS-HEP 2019 : https://atlas.cern/tags/eps-2019
- Publications de physique : https://twiki.cern.ch/twiki/bin/view/AtlasPublic/Publications

CMS :
- Résumé des résultats présentés à EPS-HEP 2019 : https://cms.cern/news/EPS-HEP2019
- Notes d’information de physique sur les résultats présentés à EPS-HEP 2019 : https://cms.cern/tags/cms-physics-briefings-eps-hep-2019
- Publications de physique : http://cern.ch/cms-results/public-results/publications/