Trouver un boson de Higgs n’était déjà pas si simple. En trouver deux, au même endroit, au même moment, c’est encore plus compliqué. L’étude de ce processus fascinant, appelé production de di-Higgs, peut apporter de nombreuses informations sur l’interaction du boson de Higgs avec lui-même. Elle pourrait permettre de mesurer la force d’autocouplage du boson de Higgs, un aspect fondamental du Modèle Standard qui relie le mécanisme de Higgs à la stabilité de notre Univers.
La recherche de productions de di-Higgs est une tâche particulièrement ardue. Ce processus très rare est environ 1000 fois moins fréquent que la production d’un seul boson de Higgs. Durant l’ensemble de la deuxième période d’exploitation du Grand collisionneur de hadrons (LHC), seuls quelques milliers de bosons di-Higgs auraient été produits dans ATLAS, noyés au milieu de 40 millions de collisions par seconde. Comment faire pour trouver ces aiguilles dans une botte de foin de données ? L’une des voies possibles est de chercher ces productions de di-Higgs dans plusieurs endroits à la fois. En s’intéressant aux différentes façons dont les di-Higgs se désintègrent (les modes de désintégration) puis en combinant ces possibilités, les scientifiques multiplient leurs chances de déceler une production de di-Higgs.
Les équipes de la Collaboration ATLAS viennent de publier l’étude la plus sensible menée à ce jour sur des productions et des autocouplages de bosons de Higgs, réalisée à partir de la combinaison de cinq recherches de paires de bosons de Higgs dans les données de la deuxième période d’exploitation du LHC. Ce nouveau résultat est issu de l’analyse la plus vaste menée jusqu’à présent, incluant plus de la moitié des évènements candidats à la production de di-Higgs détectées par ATLAS.
Chacune des cinq études individuelles combinées dans l’analyse en question portait sur un mode de désintégration spécifique, avec ses avantages et ses inconvénients. Le mode de désintégration le plus fréquent des paires de bosons de Higgs les transforme en quatre quarks b. Il existe néanmoins dans le Modèle standard des processus de CDQ produisant quatre quarks b, ce qui rend les productions de di-Higgs difficiles à distinguer du bruit de fond. Si la désintégration d’une paire de bosons de Higgs en deux quarks b et deux leptons tau est moins bruitée, elle est cinq fois moins fréquente et laisse s’échapper des neutrinos impossibles à détecter, rendant la désintégration plus difficile à reconstituer. Quant à la désintégration en plusieurs leptons, elle n’est pas extrêmement rare, mais ses signatures sont complexes. Les autres désintégrations de paires de bosons de Higgs sont encore plus rares ; c’est le cas de la désintégration en deux quarks b et deux photons. Cet état final, auquel aboutissent seulement 0,3 % des désintégrations de paires de bosons de Higgs, présente une signature plus lisible et se distingue plus facilement du bruit de fond que les précédents.
En combinant les résultats des recherches menées sur chacune de ces désintégrations, les scientifiques sont parvenus à borner la probabilité de produire une paire de bosons de Higgs à 2,9 fois la prédiction du Modèle standard. Ce résultat a été obtenu avec un degré de confiance de 95 %, pour une sensibilité attendue de 2,4. Les équipes ont également déterminé de nouvelles valeurs limites de la force d’autocouplage du boson de Higgs, parvenant à la meilleure sensibilité jamais obtenue pour cette observable importante. D’après l’étude, l’ordre de grandeur de la constante d’autocouplage de Higgs et la force d’interaction entre deux bosons de Higgs et deux bosons vecteurs correspondent aux prédictions du Modèle standard.
Cette combinaison de résultats constitue une étape importante pour l’étude de la production de di-Higgs. C’est désormais vers les données issues de la troisième période d’exploitation du LHC et de l’exploitation à venir du LHC à haute luminosité que les équipes d’ATLAS vont se tourner pour leurs recherches. Ces données en main, les scientifiques pourraient enfin parvenir à observer une production de l'insaisissable paire de bosons de Higgs.
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