ATLAS: les désintégrations du boson de Higgs en paires de quarks b enfin observées !
Publié par Adrien le 22/07/2018 à 00:00
Source: CNRS-IN2P3

Le LHC: Le plus grand accélérateur de particules du monde
(Illustration: © CERN )
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 (Les quarks sont des fermions que la théorie du modèle standard décrit, en compagnie de la famille des leptons, comme les constituants élémentaires de la matière.) 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 (L'Institut national de physique nucléaire et de physique des particules (IN2P3) est un institut de recherche fondamentale du CNRS dont le domaine de...), s'inscrivent dans un programme de mesure des propriétés du boson de Higgs (Le boson de Higgs est une particule élémentaire dont l'existence a été proposée en 1964 par Gerry Guralnik, C.R. Hagen, et Tom Kibble; Robert Brout et François Englert (et...) démarré suite à sa découverte en 2012, et complètent l'observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et d’étude appropriés. Le plaisir procuré explique la très grande participation...) de ses couplages de Yukawa aux fermions chargés élémentaires de la troisième génération.

Le boson (Les bosons représentent une classe de particules qui possèdent des propriétés de symétrie particulières lors de l'échange de...) de Higgs a été prédit en 1964 dans le cadre du modèle standard (MS) de la physique des particules (La physique des particules est la branche de la physique qui étudie les constituants élémentaires de la matière et les rayonnements, ainsi que leurs interactions. On l'appelle aussi physique des hautes énergies car de nombreuses...), comme la particule associée au champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) scalaire (Un vrai scalaire est un nombre qui est indépendant du choix de la base choisie pour exprimer les vecteurs, par opposition à un pseudoscalaire, qui est un nombre qui peut dépendre de la base.) qui imprègne l'univers (L'Univers est l'ensemble de tout ce qui existe et les lois qui le régissent.) et qui donne leur masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse inerte) et l'autre la contribution du corps à la...) 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 (Le LHC (Large Hadron Collider, « Grand Collisionneur Hadronique ») est le prochain grand accélérateur de particules qui sera mis en opération en 2007 au CERN à la frontière...) (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 manière générale, un échantillon est une petite quantité d'une matière, d'information, ou d'une solution. Le mot est utilisé dans différents domaines :) 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 (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction d'affaire, d'un événement, etc.) a conduit à l'observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et d’étude appropriés. Le plaisir procuré...) de nombreux canaux de désintégration (yy, ZZ, WW, TT) et modes de production (fusion de gluons, fusion (En physique et en métallurgie, la fusion est le passage d'un corps de l'état solide vers l'état liquide. Pour un corps pur, c’est-à-dire pour une substance constituée de...) des bosons vecteurs ou VBF, et, plus récemment, en association avec une paire (On dit qu'un ensemble E est une paire lorsqu'il est formé de deux éléments distincts a et b, et il s'écrit alors :) 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 (Dans son sens courant, le mot de bruit se rapproche de la signification principale du mot son. C'est-à-dire vibration de l'air pouvant donner lieu à la création d'une sensation auditive.) important au LHC ce qui rend son observation très difficile.


Le détecteur ATLAS situé à 100 m de profondeur pèse 7 000 tonnes © CERN

La principale méthode pour améliorer le rapport signal ( Termes généraux Un signal est un message simplifié et généralement codé. Il existe sous forme d'objets ayant des formes particulières. Les signaux lumineux sont employés depuis la nuit des temps par les hommes pour communiquer...) sur bruit (Dans son sens courant, le mot de bruit se rapproche de la signification principale du mot son. C'est-à-dire vibration de l'air pouvant donner lieu à la création d'une sensation auditive.) 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->vv, W->lv, Z->ll) et donc avec une signature caractéristique comprenant 2 jets de quarks b et des leptons chargés et/ou de l'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) transverse manquante (signature expérimentale ( En art, il s'agit d'approches de création basées sur une remise en question des dogmes dominants tant sur le plan formel, esthétique, que sur le plan culturel et...) 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 (La physique nucléaire est la description et l'étude du principal constituant de l'atome : le noyau atomique. On peut distinguer :) et des hautes énergies (LPNHE, CNRS/Université Pierre et Marie Curie/Université Paris (Paris est une ville française, capitale de la France et le chef-lieu de la région d’Île-de-France. Cette ville est construite sur une boucle de la Seine, au centre du bassin...) Diderot) et du Laboratoire de l'accélérateur linéaire (LAL, CNRS/Université Paris-Sud), partenaires du projet (Un projet est un engagement irréversible de résultat incertain, non reproductible a priori à l’identique, nécessitant le concours et l’intégration d’une grande...) 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 (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension métonymique, la...) 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.


Distribution de la masse invariante des paires de jets de quarks b dans les événements candidats VH, H->bb dans les données du Run-2 (points noirs) après soustraction des tous les processus de bruit de fond sauf la production diboson VZ, Z -> bb (histogramme gris). L'excès dans les données est bien compatible avec un signal H -> bb (histogramme rouge) avec une section efficace (Une section efficace est une grandeur physique correspondant à la probabilité d'interaction d'une particule pour une réaction donnée de la physique nucléaire ou de la physique des particules. L'unité de...) compatible avec le modèle standard. © ATLAS/CERN

Cette combinaison (Une combinaison peut être :) a conduit à l'observation des désintégrations Hàbb avec une sensibilité statistique (Une statistique est, au premier abord, un nombre calculé à propos d'un échantillon. D'une façon générale, c'est le résultat de...) 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 (Une année est une unité de temps exprimant la durée entre deux occurrences d'un évènement lié à la révolution de la Terre autour du Soleil.), 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 (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction électromagnétique. Autrement dit, lorsque deux particules chargées...) 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 ( Total est la qualité de ce qui est complet, sans exception. D'un point de vue comptable, un total est le résultat d'une addition, c'est-à-dire une somme. Exemple : "Le...) 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 (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et principalement en physique :) à haute luminosité (La luminosité désigne la caractéristique de ce qui émet ou réfléchit la lumière.) du LHC.
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