La précision de la masse du boson de Higgs franchit le mur du “pour mille”
Au cours des onze années qui ont suivi sa découverte, l’étude du boson de Higgs est devenue l’un des principaux moyens d’élucider la structure fondamentale de l’univers. Les mesures précises des propriétés du boson de Higgs comptent parmi les outils les plus puissants dont disposent les physiciens pour mettre à l’épreuve le modèle standard – et maintenant, c’est au tour de la masse du boson de Higgs.
La masse du boson de Higgs (mH) n’est pas prédite par le modèle standard et doit être déterminée expérimentalement ; une évaluation précise de sa valeur est d’une importance capitale en physique des particules. Les forces d’interaction du boson de Higgs avec les particules du Modèle Standard dépendent de la masse du boson de Higgs et ne peuvent être calculées qu’une fois sa valeur connue. Plus important encore, la valeur de la masse du boson de Higgs est intimement liée aux propriétés du potentiel de Higgs – qui détermine la stabilité du vide électrofaible, et potentiellement le destin et l’évolution de notre univers.
Cette semaine, lors de la conférence Lepton-Photon à Melbourne (Australie), la collaboration ATLAS a présenté sa mesure de la masse du boson de Higgs dans les études des désintégrations de Higgs à deux photons en utilisant l’ensemble des données du Run 2 du LHC (H→yy, ou canal diphoton), et une nouvelle combinaison de cette mesure avec la mesure 2022 de la masse du boson de Higgs dans les études des désintégrations de Higgs à quatre leptons (H→4l).
Le nouveau résultat H→yy est nettement supérieur à la précédente mesure ATLAS dans ce canal, bénéficiant à la fois de l’ensemble des données du Run-2 du LHC – réduisant l’incertitude statistique d’un facteur deux – et d’améliorations spectaculaires de l’étalonnage de la réponse en énergie des photons – réduisant les incertitudes systématiques d’un facteur quatre.
La clé de cette nouvelle mesure est le nouvel étalonnage de la réponse en énergie des photons, qui a été fortement amélioré au cours des dernières années. L’étalonnage de l’énergie des photons est optimisé par des simulations de Monte Carlo détaillées des détecteurs ATLAS à l’aide de techniques d’apprentissage automatique. Cette approche suppose que tous les détails de la réponse du détecteur dans les données sont compris avec précision ; lorsque des écarts entre les simulations et les données sont observés, des corrections doivent être appliquées. La convergence récente des études sur ces corrections a permis d’apporter de multiples améliorations. Le nouvel étalonnage permet une estimation plus précise du matériau devant le calorimètre ATLAS, un traitement amélioré de la réponse de l’électronique de lecture du calorimètre électromagnétique, l’étalonnage de la réponse relative de la couche longitudinale du calorimètre ; et des corrections spécifiques pour la différence de développement des gerbes électromagnétiques induites par les photons et les électrons dans le calorimètre. Pour leur nouvelle mesure de la masse de Higgs, les chercheurs d’ATLAS ont révisé tous les ingrédients de la procédure d’étalonnage des photons en tenant compte de ces améliorations, tout en profitant de l’ensemble des données de l’exécution 2 du LHC. Pour la dernière étape de la procédure d’étalonnage, les physiciens ont utilisé un échantillon d’événements Z→ee et pour faire correspondre la réponse des données à celle des simulations. Cette réponse a également été mesurée en fonction du moment transverse de l’électron, une nouvelle approche qui a permis aux physiciens de réduire ultérieurement les incertitudes systématiques. Pour les photons issus d’une désintégration H→yy qui n’interagissent pas avant le calorimètre électromagnétique, l’incertitude sur l’énergie calibrée a été typiquement améliorée de 30 % dans la partie centrale du calorimètre, et jusqu’à un facteur deux dans la région des bouchons.
La collaboration ATLAS a mesuré la masse du boson de Higgs dans le canal H→yy comme étant :
mH = 125,22 +/- 0,11 (stat.) +/- 0,09 (syst.) GeV = 125,22 +/- 0,14 GeV.
Figure 2 : Résumé des mesures individuelles et combinées de la masse du boson de Higgs dans les canaux de désintégration H→γγ et H→ZZ*→4l. La barre d’incertitude sur chaque point correspond à l’incertitude totale ; les bandes horizontales jaunes représentent la composante statistique de l’incertitude ; la ligne verticale rouge et la bande grise représentent le nouveau résultat combiné d’ATLAS avec son incertitude totale. (Image : ATLAS Collaboration/CERN)
Le nouveau résultat combine le nouveau résultat du Run 2 avec la mesure obtenue dans le Run 1. Avec une incertitude relative de 0,11 %, il s’agit de la mesure la plus précise de la masse du boson de Higgs obtenue par un seul canal à ce jour.
Lorsque cette nouvelle mesure dans le canal H→yy est combinée avec la mesure de la masse du boson de Higgs dans le canal H→4l publiée en 2022, la valeur combinée de la masse du boson de Higgs est :
mH = 125,11 +/- 0,09 (stat) +/- 0,06 (syst) GeV = 125,11 +/- 0,11 GeV.
Il s’agit actuellement de la détermination la plus précise de la masse du boson de Higgs, avec une précision remarquable de 0,09 % pour ce paramètre fondamental. Cette incroyable réalisation est un témoignage de l’engagement sans relâche de la collaboration ATLAS pour comprendre les complexités du détecteur et développer des techniques d’étalonnage avancées, permettant aux chercheurs de percer les mystères du boson de Higgs avec une précision sans précédent.
Plus d’informations :
- Cette actualité est issue du site internet du CERN : https://home.cern/fr
- Voir les deux actualités sur le site de la collaboration ATLAS et du CERN :
- Le groupe ATLAS au LAPP : https://lapp.in2p3.fr/spip.php?article87
- Crédit images : ATLAS / CERN
- Pour approfondir :
- ATLAS Collaboration, Measurement of the Higgs boson mass with H→yy decays in 140 fb-1 of sqrt(s)=13 TeV pp collisions with the ATLAS detector, ATLAS-CONF-2023-036 https://atlas.web.cern.ch/Atlas/GRO…
- ATLAS Collaboration, Combined measurement of the Higgs boson mass from the H→yy and H→ZZ→>4l decay channels with the ATLAS detector using sqrt(s) = 7, 8 and 13 TeV pp collision data ATLAS-CONF-2023-037 https://atlas.web.cern.ch/Atlas/GRO…
- ATLAS Collaboration, Electron and photon energy calibration with the ATLAS detector using LHC Run 2 data, CERN-EP-2023-128 (2023)