LHC : une mesure inédite révèle l’affinité du boson de Higgs avec le quark top

04 juin 2018

Résultats scientifiques Physique des particules R&D accélérateurs

Après la découverte du boson de Higgs en 2012, une nouvelle étape majeure vient d'être franchie au LHC dans la compréhension du mécanisme qui confère une masse aux particules élémentaires. Les résultats des expériences ATLAS et CMS, compatibles entre eux et présentés aujourd’hui lors de la conférence LHC Physics à Bologne, confirment la forte interaction entre la particule élémentaire de matière la plus lourde, le quark top, et le boson de Higgs. Cette mesure, inédite jusqu’à ce jour, qui a été menée avec de nombreux scientifiques français de l’IN2P3 et de l’IRFU (CEA), ouvre des pistes pour la recherche de nouvelle physique.

En physique des particules, deux types de stratégies sont utilisées pour débusquer la nouvelle physique. Soit on teste un modèle théorique en cherchant ses manifestations, par exemple à travers la découverte de nouvelles particules, soit on essaie de mettre en défaut le modèle existant. C’est ici la deuxième approche qui est exploitée. Le Modèle standard de la physique des particules ne prédit par la force d’interaction (ou "couplage") entre les différentes particules, notamment entre le boson de Higgs et le quark top. Ce couplage entre deux particules lourdes n’avait encore jamais été mesuré et ce nouveau résultat permet un bond en avant dans notre connaissance des propriétés du boson de Higgs. Ce faisant, il ouvre la voie vers des tests encore plus contraignants pour le Modèle standard. En effet, des particules lourdes révélatrices d’une nouvelle physique, jusque-là jamais observées, pourraient elles aussi participer à ce type de désintégration.

Cette recherche est l'une des plus difficiles jamais conduites par les scientifiques d’ATLAS et CMS car seulement 1% des bosons de Higgs sont produits en association avec deux quarks top. C’est à dire qu’il faut faire plus de 150 milliards de collisions de protons pour produire un seul événement de ce type ! Pour y arriver, il a donc fallu accumuler suffisamment de données à une énergie de collision proton-proton puis prendre en compte tous les d’états finaux possibles et utiliser les méthodes les plus avancées de traitement de données par "apprentissage automatique" (Machine Learning).

Collision candidate pour la production d’une paire quark top et antiquark top conjointement avec un boson de Higgs, dans le détecteur CMS. Les produits de désintégration finaux du boson de Higgs sont notés en bleu, ceux du quark top en violet et ceux de l’antiquark top en rouge.
© CMS/CERN

Dans les deux expériences, le résultat annoncé aujourd'hui est le fruit d'une stratégie étagée exploitant les données collectées à des énergies de 7, 8 et 13 TeV. Les équipes d'ATLAS et de CMS ont mené plusieurs études indépendantes pour traquer ce processus appelé "production ttH", chacune axée sur un mode de désintégration différent du boson de Higgs (désintégration en bosons W , bosons Z, photons, leptons taus et jets issus des 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 grâce à des méthodes statistiques avancées. L’interprétation fine des collisions s’appuie sur leur excellente maîtrise des détecteurs que les ingénieurs et instrumentalistes français ont contribué à concevoir et construire. Les chercheurs et chercheuses de l’IN2P3 et du CEA ont joué un rôle majeur dans de nombreux "étages" de cette analyse, menée en collaboration avec les théoriciens et théoriciennes et les informaticiens et informaticiennes de l’Institut.

Visualisation d’une collision candidate pour ttH observée grâce la production de deux photons (en vert) dans l’état final. Image:
©ATLAS/CERN

La combinaison de l'ensemble de ces mesures a conduit à l'observation de la production ttH avec une sensibilité statistique supérieure, pour les deux expériences prises séparément, au seuil de 5 écarts standards traditionnellement requis pour une découverte. Cela signifie que si la production ttH n'existait en fait pas, l'expérience avait au plus environ une chance sur 3,5 millions de l'observer malgré tout par erreur.

Ces prochaines années, les deux expériences collecteront bien plus de données et amélioreront la précision de ce couplage afin de déterminer si le Higgs révèle la présence d'une physique au-delà du Modèle standard.