Le boson de Higgs au top des résultats

Vue artistique du champ de Brout-Englert-Higgs (Image : Daniel Dominguez/CERN)

De nouveaux résultats des expériences ATLAS et CMS auprès du Grand collisionneur de hadrons (LHC) montrent la force de l'interaction entre le boson de Higgs et la particule élémentaire la plus lourde que l'on connaisse, le quark top.

Le boson de Higgs n'interagit qu'avec les particules massives. Et pourtant, il a été découvert lors de sa désintégration en deux photons, des particules dépourvues de masse. D'après la mécanique quantique, le Higgs peut en effet fluctuer pendant un instant très bref en un quark top et un antiquark top, qui s'annihilent rapidement en une paire de photons. La probabilité que ce processus se produise varie avec la force de l'interaction (appelée couplage) entre le boson de Higgs et le quark top. Cette mesure permet aux physiciens de déduire indirectement la valeur du couplage Higgs-top. L'émission d'un boson de Higgs par une paire de quarks top-antitop est une manifestation plus directe du couplage Higgs-top.

An event candidate for the production of a top quark and top antiquark pair in conjunction with a Higgs boson in the CMS detector.
Un événement candidat de production d’une paire quark top anti-quark top, en conjonction avec un boson de Higgs, dans l’expérience CMS. Le Higgs se désintègre en un lepton tau+, qui se désintègre à son tour en hadrons et un tau-, qui se désintègre en un électron. Les symboles du produit de désintégration figurent en bleu. La désintégration du quark top en trois jets de particules plus légères, est indiquée en violet. L’un des jets est initié par un quark b. L’anti-quark top se désintègre en un muon et un jet-b, qui apparaissent en rouge. (Image : CMS/CERN)

Les résultats présentés aujourd'hui lors de la conférence LHCP à Bologne décrivent l'observation de ce processus appelé « production ttH ». Les résultats de la collaboration CMS, dont la signification statistique dépasse pour la première fois cinq écarts-types (la valeur de référence en la matière), viennent d'être publiés dans la revue Physical Review Letters ; en incluant des données de la phase d’exploitation actuelle du LHC, la collaboration ATLAS vient également de soumettre pour publication des résultats avec une meilleure signification statistique. Les résultats des deux expériences sont compatibles entre eux et avec le Modèle standard. Ils permettent aux scientifiques de mieux définir les caractéristiques du boson de Higgs et leur donnent de nouvelles pistes pour la recherche de la nouvelle physique.

Visualisation of an event from the tt̄H(γγ) analysis. The event contains two photon candidates displayed as green towers in the electromagnetic calorimeter, and six jets (b-jet) shown as yellow (blue) cones.
Visualisation d’une événement candidat tt ̄H. L’événement contient deux photons candidats avec une masse diphoton de 125.4 GeV. En outre, six jets sont reconstruits. Les photons correspondent aux tours vertes du calorimètre électromagnétique, tandis que les jets (b-jets) sont représentés par des cônes jaunes (bleus). (Image : ATLAS/CERN)

Mesurer le processus de production ttH est ardu, car il est extrêmement rare : 1 % seulement des bosons de Higgs sont produits en association avec deux quarks top. Par ailleurs, le Higgs et le quark top se désintègrent en d'autres particules de nombreuses manières (ou modes) différentes. En utilisant les données sur les collisions proton-proton collectées à des énergies de 7, 8 et 13 TeV, les équipes d'ATLAS et de CMS ont mené plusieurs études indépendantes pour traquer la production ttH, chacune axée sur un mode de désintégration du Higgs différent (désintégration en bosons W , bosons Z, photons, leptons τ et jets issus de quarks bottom). Pour augmenter le plus possible la sensibilité au signal ttH, très difficile à observer expérimentalement, chaque expérience a ensuite combiné les résultats de toutes ses recherches.

 « Nous devons ce magnifique résultat à la superbe performance du LHC, ainsi qu’à l’emploi d’outils expérimentaux améliorés qui ont permis de maîtriser cette analyse très complexe », a commenté le directeur de la recherche et de l’informatique du CERN, Eckhard Elsen. « Cela montre aussi que nous sommes sur la bonne voie avec notre projet de LHC à haute luminosité et les résultats qu’il promet .»

Des scientifiques d'ATLAS, de CMS et du département de théorie du CERN expliquent la portée des résultats annoncés sur l'interaction entre le boson de Higgs et le quark top. (Video: CERN)

Pour plus d'informations, lisez le communiqué de presse, et consultez les sites de CMS et d’ATLAS (en anglais).