Laboratoire d'Annecy de Physique des Particules
Science

Nouvelle mesure de l’auto-couplage du boson de Higgs

Le groupe ATLAS du LAPP a participé à la mesure de l’auto-couplage du boson de Higgs avec les données du Run 2 dans le canal désintégration “en or” HH→bbyy. La mesure, qui est la plus précise à ce jour, vient d’être présentée à la conférence Moriond QCD 2021.

Depuis la mise en évidence du boson de Higgs en 2012, les expériences ATLAS et CMS mesurent ses couplages (interactions) aux bosons et aux fermions. La plupart de ces couplages ont déjà été mis en évidence à la fin du Run-2 (2015-2018). Observer le couplage du Higgs avec lui-même (auto-couplage) reste l’un des objectifs majeurs du programme LHC. Mesurer ce couplage donnera accès à la forme du potentiel du champ de Higgs, ce qui permettrait potentiellement de savoir s’il existe de nouvelles particules qui perturbent ce champ. La production de deux bosons de Higgs dans une même collision proton-proton (HH) est le seul moyen direct pour mesurer cet auto-couplage noté 𝞳𝝺. Les événements HH sont 1000 fois plus rares que de la production d’un seul boson de Higgs, ce qui explique que cette production n’ait pas été mise en évidence à ce jour.

Depuis 2016, le groupe ATLAS-LAPP s’est focalisé sur le canal de désintégration “en or” H(→bb)H(→𝛾𝛾) pour cette recherche du fait de son grand facteur de réjection du bruit de fond, et malgré un petit rapport de branchement (0.3%)

Un événement candidat d’une paire de bosons de Higgs se désintégrant en deux quarks b et deux photons (HH → bbɣɣ) dans des données prises en 2017. Les particules chargées sont affichées en vert, les deux b-jets sont représentés par des cônes rouges, et les deux photons sont représentés en cyan.

Dans le cadre de la thèse de Mohamed Belfkir, de nouvelles idées ont été implémentées pour améliorer la précision de la reconstruction des particules et la séparation entre signal (HH) et bruit de fond. Leur intégration avec d’autres techniques d’analyse, appliquées à l’ensemble des données du Run 2 (2015-2018), améliore le potentiel d’observation d’un facteur 5 dont 2.6 via l’amélioration des techniques d’analyse et 3.4 via l’augmentation du nombre de collisions enregistrées.

Aucun signal significatif H(→bb)H(→𝛾𝛾) n’est observé dans les données Run 2, ce qui se traduit par une limite de 140 fb sur la section efficace de production HH, ce qui correspond à 4 fois la section efficace dans le cadre du Modèle Standard (33 fb). La présence de nouvelle physique au-delà du Modèle Standard pourrait augmenter la section efficace et permettre d’observer ce type d’événements. La mesure du paramètre d’auto-couplage donne un intervalle de confiance de [-1.5;6.7] @ 95 % C.L., qui couvre la valeur du Modèle Standard (𝞳𝝺=1). A ce jour, le canal H(→bb)H(→𝛾𝛾) fournit la meilleure mesure de ce paramètre. Ces mesures seront améliorées en combinant avec d’autres canaux de désintégration de HH (bbbb, bb𝜏𝜏, … ) dont les analyses sont en cours de finalisation.

Avec l’augmentation du nombre de collisions enregistrées amenée par le Run 3 (facteur 3), la précision des mesures s’améliorera significativement et offrira aussi la possibilité d’étudier d’autres modes de production. Si le taux de production HH est celui prévu par le Modèle Standard, il faudra attendre la grande quantité de données du programme LHC-Haute Luminosité (collectés entre 2027 et 2038) pour atteindre une significance de 4 sigma en combinant les canaux de désintégration de HH et une précision de mesure de 𝞳𝝺 à 50 % (Estimation faite pour le dernier European Strategy Forum).

Contacts : M. Belfkir, S. Jezequel, N. Berger

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