Depuis la découverte du boson de Higgs en 2012, les scientifiques des collaborations ATLAS et CMS auprès du Grand collisionneur de hadrons (LHC) travaillent d’arrache-pied pour cerner ses propriétés et explorer les diverses façons dont cette particule éphémère peut se désintégrer. De la désintégration en quarks b, abondante, mais difficile à observer sur le plan expérimental, à la désintégration en quatre leptons, présentant un faible bruit de fond mais extrêmement rare, chacun des canaux offre une approche différente pour l’étude des propriétés de cette nouvelle particule. ATLAS a maintenant observé de premiers indices d’une désintégration du boson de Higgs en deux leptons (une paire d’électrons ou une paire de muons de charge opposée) et un photon. Connue sous le nom de « désintégration Dalitz », c’est l’une des désintégrations du boson de Higgs les plus rares détectées à ce jour au LHC.

Pour cette analyse, des physiciens d’ATLAS ont ciblé une désintégration du boson de Higgs faisant intervenir un photon virtuel. Contrairement au photon classique, stable et sans masse, le photon virtuel peut avoir une masse très faible (mais non nulle) et se désintègre instantanément en deux leptons.

L’équipe a recherché, dans la totalité des données de la deuxième période d’exploitation du LHC, des événements de collision présentant un photon et deux leptons de masse combinée inférieure à 30 GeV. Dans cette région, les désintégrations avec photons virtuels devraient prédominer sur les autres processus aboutissant au même état final. D’après les mesures d’ATLAS, le nombre de signaux indiquant le boson de Higgs dans ce canal de désintégration est de 1,5 ± 0,5 fois supérieur à celui attendu selon le Modèle standard. La signification statistique est de 3,2 sigmas, c’est-à-dire que la probabilité que le signal perçu provienne de fluctuations du bruit de fond est inférieure à 1/1000.

Grâce aux grandes quantités de données attendues dans le cadre du futur programme du LHC à haute luminosité, l’étude des désintégrations rares du boson de Higgs deviendra la norme. Les physiciens, ayant détecté des indices de ces désintégrations, pourront confirmer leurs observations puis effectuer des études détaillées des propriétés de la particule – ce qui permettra de pousser plus loin la mise à l’épreuve du Modèle standard.

L’observation de la désintégration du boson de Higgs en un photon et une paire de leptons sera le moyen d’étudier la symétrie charge-parité (CP). La symétrie CP est une propriété par laquelle l’image « miroir » de particules interagissant entre elles, les particules étant donc remplacées par leurs antiparticules, s’avère identique à l’interaction originale. Cette propriété était considérée comme inéluctable jusqu’en 1964, date à laquelle des physiciens étudiant le kaon ont remarqué – à leur grand étonnement – que cela ne se passe pas toujours comme ça dans le monde de la physique des particules. Depuis lors, on a appris que la violation de la symétrie CP est la signature de l’interaction électrofaible et cela a été intégré dans le Modèle standard.

Avec la désintégration du boson de Higgs en trois particules, dont deux chargées, il sera possible de vérifier si les désintégrations ont une direction préférentielle, et, ainsi, d’arriver à mieux comprendre les origines de la violation de la symétrie CP et, qui sait, peut-être de trouver des pistes pour une nouvelle physique au-delà du Modèle standard.

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Pour en savoir plus, rendez-vous sur les sites d’ATLAS et du CERN Courier.