ATLAS : les désintégrations du boson de Higgs en paires de quarks b enfin observées !
Des avancées importantes dans la compréhension du boson de Higgs viennent d’être annoncées par la Collaboration ATLAS à la conférence ICHEP à Séoul, avec les observations de sa désintégration en paires de quark bottom, ainsi que de sa production en association avec les bosons W et Z. Ces résultats, auxquels ont significativement contribué des chercheurs de l’IN2P3, s’inscrivent dans un programme de mesure des propriétés du boson de Higgs démarré suite à sa découverte en 2012, et complètent l'observation de ses couplages de Yukawa aux fermions chargés élémentaires de la troisième génération.
Le boson de Higgs a été prédit en 1964 dans le cadre du modèle standard (MS) de la physique des particules, comme la particule associée au champ scalaire qui imprègne l'univers et qui donne leur masse aux fermions élémentaires et aux bosons W et Z par leurs interactions avec le champ de Higgs. Cette construction théorique a été confirmée le 4 juillet 2012, lorsque les collaborations ATLAS et CMS ont annoncé la découverte, en utilisant environ 10 fb-1 de collisions proton-proton (pp) produites par le Large Hadron Collider (LHC), d'une particule présentant les caractéristiques d’un boson de Higgs standard d’une masse d’environ 125 GeV.
Depuis lors, le LHC a produit un échantillon de collisions pp, correspondant à des luminosités intégrées de 25 fb-1 aux énergies de 7 et 8 TeV lors du Run-1 du LHC (jusqu'à fin 2012) puis de 80 fb-1 à 13 TeV (Run-2, entre 2015 et 2017). L'analyse de ces données a conduit à l'observation de nombreux canaux de désintégration (γγ, ZZ, WW, ττ) et modes de production (fusion de gluons, fusion des bosons vecteurs ou VBF, et, plus récemment, en association avec une paire de quark top, ttH) prédits par le modèle standard.
Avec un rapport d’embranchement de 58%, le processus H->bb (Higgs en paire de quarks bottom) constitue le mode de désintégration le plus probable du boson de Higgs, mais souffre d’un niveau de bruit de fond important au LHC ce qui rend son observation très difficile.
La principale méthode pour améliorer le rapport signal sur bruit est de rechercher les événements VH où le boson de Higgs est produit en association avec un boson V (V = W, Z) se désintégrant en leptons (Z->νν, W->lν, Z->ll) et donc avec une signature caractéristique comprenant 2 jets de quarks b et des leptons chargés et/ou de l’énergie transverse manquante (signature expérimentale des neutrinos).
Ce canal avait déjà été mis en évidence au Tevatron (collaborations CDF et D0) en 2012 avec 10 fb-1, et en 2016 par ATLAS et CMS sur les données du Run-2 avec 36 fb-1 de données, mais l'observation définitive de ce processus fondamental était encore manquante.
C’est chose faite, avec l'analyse de 80 fb-1 des données du Run-2 présentée à ICHEP 2018 par la collaboration ATLAS, dans laquelle les équipes IN2P3 du Laboratoire de physique nucléaire et des hautes énergies (LPNHE, CNRS/Université Pierre et Marie Curie/Université Paris Diderot) et du Laboratoire de l’accélérateur linéaire (LAL, CNRS/Université Paris-Sud), partenaires du projet ANR Hbb+ttH@LHC, ont contribué fortement : celle-ci a montré un signal de désintégrations VH, V->leptons, H->bb avec une signification de 4,9 écarts-types.
Cette mesure a été ensuite combinée avec la même mesure effectuée sur les données du Run-1 et avec la recherche des désintégrations H->bb dans les modes de production ttH (analyses auxquelles deux autres équipes françaises partenaires du même projet ANR, celle du CPPM-Marseille et celle de l’IRFU-Saclay avaient contribué) et VBF.
© ATLAS/CERN
Cette combinaison a conduit à l'observation des désintégrations Hàbb avec une sensibilité statistique de 5,4 écarts standards, et à une mesure du taux d’embranchement de la désintégration Hàbb en très bon accord avec le modèle standard, avec une incertitude d’environ 20%. Ce résultat, avec les mesures des taux de désintégration du Higgs en tt et de la production ttH annoncées plus tôt cette année, complète l'observation des couplages du boson de Higgs aux fermions chargés élémentaires de la troisième génération, et confirme ainsi les prédictions du modèle standard dans le secteur de Yukawa – pour la troisième génération – avec une précision meilleure que 20%.
La combinaison des résultats de l’analyse VH, Hàbb avec des recherches des événements VH utilisant les désintégrations du boson de Higgs en deux photons ou en deux bosons Z a aussi conduit à l'observation – avec une sensibilité statistique de 5,3 écarts standards – de la production VH, le seul mode de production avec une section efficace supérieure à 1% du total qui n’avait pas encore été confirmé.
Le prochain défi est d’améliorer la précision de ces mesures, et d’étendre les tests du secteur de Yukawa à la deuxième génération de fermions. Du fait de la faiblesse de ces couplages de très grandes quantités de données seront nécessaires, que l’expérience ATLAS collectera lors du Run-3 puis de la phase à haute luminosité du LHC.
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