L’une des missions principales du LHC est la découverte du mécanisme de brisure de la symétrie électrofaible. La recherche du ou des boson(s) de Higgs est un objectif majeur des expériences LHC. Les capacités de découverte par CMS d’un boson de Higgs, que ce soit dans le cadre du modèle standard ou de ses différentes extensions supersymétriques, ont été étudiées dans les régions cinématiques accessibles au-delà des régions déjà exclues par les expériences LEP. Des études détaillées d’incertitudes systématiques ont en particulier été menées afin d’estimer la luminosité intégrée nécessaire à une découverte significative du boson de Higgs (à cinq écarts standard ou plus) en fonction de sa masse (voir la figure ci-contre). Ces études, ainsi que beaucoup d’autres couvrant la majeure partie de la physique exploitable à CMS, on été publiées dans le TDR de physique, volume 2, Physics Performance (CERN/LHCC 2006-021).
Les trois activités d’analyse actuelles du groupe CMS de Saclay sont, directement ou non, liées à la recherche de boson de Higgs.
Le premier thème est la recherche inclusive d’un boson de Higgs standard léger se désintégrant en deux photons. En dépit d’une probabilité de désintégration en deux photons très faible, ce mode est toutefois le plus prometteur pour des masses inférieures à environ 120 GeV/c2, en raison de l’impossibilité d’extraire un signal du bruit de fond pour les désintégrations dominantes. Le bruit de fond, qui vient ici principalement de l’association de deux photons réels et isolés produits dans des événements QCD, est à la fois abondant et irréductible. Le signal ne peut apparaître que comme un pic fin au-dessus d’une distribution continue. La capacité d’observation dépend donc de la finesse du pic de signal, qui découle de la résolution en énergie et en position des photons détectés, ainsi que de la connaissance de la position du point de collision. Le groupe CMS de Saclay exploite dans cette activité d’analyse son expertise dans l’optimisation des performances du calorimètre électromagnétique, ainsi que dans les procédures de calibration et de suivi en ligne de la transparence des cristaux de tungstate de plomb.
Le second thème d’analyse est l’étude des événements contenant plusieurs bosons de jauge et conduisant à des états finals avec plusieurs leptons isolés. Les études menées à Saclay ont porté principalement sur les événements à deux bosons Z0 avec quatre électrons ou deux électrons et deux muons dans l’état final. Ce type d’événements est prédit dans le cadre du modèle standard ; le mode WZ0 vient d’ailleurs d’être observé au Tevatron, en bon accord avec les prédictions. Les sections efficaces de production sont attendues bien supérieures au LHC et les signaux devraient être spectaculaires dès les premiers mois d’exploitation de la machine (voir figure ci-dessous). A plus haute luminosité, il sera possible d’exploiter ces événements pour étudier avec précision les couplages à trois bosons de jauge de la théorie électrofaible. Un intérêt de l’étude de ces processus est qu’ils sont source d’événements multi-leptoniques qui constituent un bruit de fond irréductible pour l’observation du boson de Higgs dans les modes de découverte WW et ZZ dans la gamme des masses intermédiaires.
Le troisième thème est la recherche d’un boson de Higgs relativement massif dans sa désintégration en une paire de leptons tau. Pour certaines régions de l’espace des paramètres des modèles supersymétriques, cette désintégration est dominante. Le groupe de Saclay s’intéresse au cas où chacun des leptons tau se désintègre leptoniquement. Ce n’est pas le mode le plus prometteur pour une découverte, mais il est essentiel pour confirmer une découverte dans le mode où l’un des deux leptons tau se désintègre hadroniquement. D’une manière plus générale, les topologies avec deux ou plusieurs leptons de saveurs différentes, de l’énergie transverse manquante et/ou des jets de beauté, sont très sensible à la présence d’un secteur de Higgs ou de nouvelle physique.
