Les études menées sur les propriétés du boson de Higgs ont fait partie des thématiques phares abordées lors de l’édition 2025 de la Conférence sur la physique des hautes énergies de la Société européenne de physique (EPS-HEP), qui s’est tenue cette semaine à Marseille. Parmi les résultats présentés par la collaboration ATLAS figuraient deux avancées concernant deux modes extrêmement rares de désintégration du boson de Higgs.
Le premier processus soumis à l’étude était la désintégration du boson de Higgs en une paire de muons (H→μμ). Bien que ce processus ne survienne environ qu’une fois toutes les 5 000 désintégrations, il constitue l’un des meilleurs moyens d’étudier l’interaction entre le boson de Higgs et les fermions de deuxième génération, et de mieux comprendre l’origine de la masse pour différentes générations de particules. Jusqu’à présent, les interactions du boson de Higgs avec les particules de matière n’avaient été observées que pour celles de la troisième génération (les plus lourdes) : le lepton tau et les quarks top et bottom.
Le second processus étudié était la désintégration du boson de Higgs en un boson Z et un photon (H→Zγ), avec le boson Z se désintégrant ensuite en une paire d’électrons ou de muons. Cette désintégration rare est d’autant plus intrigante qu’elle passe par une « boucle » intermédiaire de particules virtuelles. Si de nouvelles particules encore inconnues contribuent à cette boucle, ce processus pourrait fournir des indices d’une physique au-delà du Modèle standard.
Repérer ces désintégrations rares n’est pas une mince affaire. Pour la désintégration H→μμ, la collaboration ATLAS a cherché un petit excédent d'événements produisant des paires de muons qui se manifeste dans la zone des 125 Gev (la masse du boson de Higgs). Or, ce signal peut facilement être noyé dans les milliers de paires de muons produites par d’autres processus (le bruit de fond). Quant à la désintégration H→Zγ, elle est encore plus difficile à isoler : le boson Z ne se désintègre en électrons ou en muons que dans environ 6 % des cas, et les jets de particules peuvent être facilement confondus avec des photons.
Les études menées sur les propriétés du boson de Higgs ont fait partie des thématiques phares abordées lors de l’édition 2025 de la Conférence sur la physique des hautes énergies de la Société européenne de physique (EPS-HEP), qui s’est tenue cette semaine à Marseille. Parmi les résultats présentés par la collaboration ATLAS figuraient deux avancées concernant deux modes extrêmement rares de désintégration du boson de Higgs.
Le premier processus soumis à l’étude était la désintégration du boson de Higgs en une paire de muons (H→μμ). Bien que ce processus ne survienne environ qu’une fois toutes les 5 000 désintégrations, il constitue l’un des meilleurs moyens d’étudier l’interaction entre le boson de Higgs et les fermions de deuxième génération, et de mieux comprendre l’origine de la masse pour différentes générations de particules. Jusqu’à présent, les interactions du boson de Higgs avec les particules de matière n’avaient été observées que pour celles de la troisième génération (les plus lourdes) : le lepton tau et les quarks top et bottom.
Le second processus étudié était la désintégration du boson de Higgs en un boson Z et un photon (H→Zγ), avec le boson Z se désintégrant ensuite en une paire d’électrons ou de muons. Cette désintégration rare est d’autant plus intrigante qu’elle passe par une « boucle » intermédiaire de particules virtuelles. Si de nouvelles particules encore inconnues contribuent à cette boucle, ce processus pourrait fournir des indices d’une physique au-delà du Modèle standard.
Repérer ces désintégrations rares n’est pas une mince affaire. Pour la désintégration H→μμ, la collaboration ATLAS a cherché un petit excédent d'événements produisant des paires de muons qui se manifeste dans la zone des 125 Gev (la masse du boson de Higgs). Or, ce signal peut facilement être noyé dans les milliers de paires de muons produites par d’autres processus (le bruit de fond). Quant à la désintégration H→Zγ, elle est encore plus difficile à isoler : le boson Z ne se désintègre en électrons ou en muons que dans environ 6 % des cas, et les jets de particules peuvent être facilement confondus avec des photons.
Pour améliorer la sensibilité de leur analyse, les physiciens d’ATLAS ont combiné les données des trois premières années de la troisième période d’exploitation du LHC avec l’ensemble des données enregistrées lors de la deuxième période d’exploitation. Ils ont en parallèle mis au point une méthode ingénieuse permettant de mieux modéliser les processus de bruit de fond, classé les événements enregistrés selon les modes de production propres au boson de Higgs, et perfectionné leurs techniques de sélection des événements.
Au cours de précédentes recherches portant sur la désintégration H→μμ, menées à partir de l’ensemble des données collectées pendant la deuxième période d’exploitation du LHC, la collaboration ATLAS avait observé un premier indice de cette désintégration avec une signification statistique de 2 écarts-types, tandis que la collaboration CMS avait atteint une signification de 3 écarts-types (2,5 écarts-types attendus). En combinant les ensembles de données de la deuxième et de la troisième périodes d’exploitation du LHC, la collaboration ATLAS est maintenant parvenue à détecter des indices de la désintégration H→μμ avec une signification attendue de 2,5 écarts-types et une signification observée de 3,4 écarts-types, ce qui signifie que la probabilité que ce signal soit le résultat d’une fluctuation statistique est inférieure à 1 sur 3 000.
En ce qui concerne la désintégration H→Zγ, une précédente analyse conjointe ATLAS-CMS, fondée sur les données de la deuxième période d’exploitation du LHC, avait permis de détecter des indices de ce mode de désintégration, avec un excédent de 3,4 écarts-types (1,6 écarts-types attendus) par rapport à l’hypothèse d’un résultat dû uniquement au bruit de fond. Le dernier résultat d’ATLAS, combinant les données de la deuxième et de la troisième périodes d’exploitation, fait état d’un excédent de 2,5 écarts-types, avec une sensibilité attendue de 1,9 écarts-types. Il s’agit de la sensibilité attendue la plus élevée jamais atteinte pour la mesure de la probabilité de la désintégration H→Zγ (« le rapport d’embranchement »).
Ces résultats n’auraient pas été possibles sans le vaste ensemble de données excellentes fourni par le LHC, l’efficacité et les performances remarquables de l’expérience ATLAS, et l’utilisation de techniques d’analyse innovantes. Et ce n’est pas fini : avec encore plus de données en perspective, l’exploration continue !
Pour en savoir plus, voir le site web de l’expérience ATLAS (en anglais).