Lors de la conférence Moriond ElectroWeak 2026, la collaboration CMS a présenté une nouvelle mesure de la masse du boson de Higgs utilisant le canal de désintégration du boson de Higgs en deux photons, à partir des données du Run 2 (2016–2018) du LHC. Cette analyse s’appuie notamment sur de nouvelles techniques de calibration de la mesure de l’énergie des photons développées à l’Irfu, qui ont permis d’atteindre un niveau de précision inédit.
Jusqu’alors la calibration de l’énergie des photons reposait sur la désintégration du boson Z, dont la masse est connue précisement, dans son canal de désintégration Z→e+e–. Non seulement les physiciens de l’Irfu ont totalement revue cette méthode mais ils ont également utilisé le canal de désintégration du boson Z, beaucoup plus rare, avec un photon dans l’état final : Z→μ+μ–γ. Ceci permet d’affiner la calibration en prenant en compte la différence de réponse en énergie du calorimètre entre les électrons et les photons. La combinaison de ces deux améliorations et l’utilisation de toutes les données du Run 2 ont permis d’améliorer la précision par un facteur 2 par rapport à la dernière mesure fournie par l’expérience CMS dans ce canal et reposant uniquement sur les données enregistrées en 2016.
Pourquoi vouloir mesurer avec toujours plus de précision la masse du bson de Higgs ?
Après la découverte du boson de Higgs en 2012 au Grand collisionneur de hadrons (LHC) du CERN, les physiciens des collaborations ATLAS et CMS ont poursuivi l’étude de ses propriétés avec une précision toujours croissante. Ces mesures permettent de tester la cohérence des propriétés du boson de Higgs avec le Modèle Standard (MS) de la physique des particules, modèle décrivant les propriétés de toutes les particules élémentaires connues à ce jour et leurs interactions. Toute déviation par rapport aux prédictions pourrait indiquer l’existence de nouveaux phénomènes physiques au-delà de notre compréhension actuelle.
L’une des propriétés fondamentales du boson de Higgs est sa masse mH. En effet, sa valeur n’est pas prédite par le MS et doit être mesurée avec précision. Les physiciens de la collaboration CMS ont récemment réalisé une mesure très précise de cette masse en utilisant le canal de désintégration du boson de Higgs en deux photons [1]. Ce canal offre une signature expérimentale particulièrement propre, car l’énergie des photons est mesurée avec une grande précision dans le calorimètre électromagnétique de CMS, comme l’illustre la Figure 1 (symbolisé par l’anneau de rectangles verts).
En quoi consiste cette nouvelle methode ?
Une composante essentielle de cette mesure est la calibration précise de la réponse des quelques 72 000 cristaux de tungstate de plomb du calorimètre électromagnétique (ECAL). L’équipe de Saclay est fortement impliquée dans le fonctionnement et la compréhension de ce détecteur depuis sa conception, dans laquelle elle a également joué un rôle prépondérant. Pour cette analyse, de nouvelles techniques ont été développées à l’Irfu pour calibrer l’énergie des électrons et des photons à partir des données.
- La première étape consiste à calibrer la réponse du détecteur à l’aide d’événements où un boson Z se désintègre en une paire d’électrons (Z→ee), la masse du boson Z étant très précisément connue par ailleurs. Cette méthode [2], repensée par l’équipe de l’Irfu, repose sur une approche plus rapide et plus robuste que les techniques utilisées précédemment.
- Dans un second temps, cette méthode est adaptée pour prendre en compte la différence de réponse entre les électrons et les photons. Pour cela, des événements Z→μμγ, où un boson Z se désintègre en deux muons accompagnés d’un photon, sont utilisés. Les photons issus de cette désintégration fournissent une référence directe pour calibrer leur énergie.
La Figure 2 montre les effets de corrections venant de la prise en compte des événements Z→μμγ. les corrections mesurées restent inférieures à 1 %. Cette technique de calibration directe de l’énergie des photons est utilisée pour la première fois par une expérience auprès du LHC.
Cette approche permet de contrôler les variations subtiles de la réponse du calorimètre, notamment celles liées au vieillissement du détecteur, et d’améliorer significativement la précision de la mesure. Elle permet également de réduire les incertitudes systématiques qui limitent cette précision, conduisant ainsi à la mesure la plus précise à ce jour de la masse du boson de Higgs dans le canal diphoton par la collaboration CMS, mH = 125.14 ± 0.15 GeV, comme l’illustre la Figure 3, où l’on observe un excès net d’événements autour de 125 GeV correspondant au signal du boson de Higgs.
Ce résultat est complémentaire des mesures indépendantes de la masse du boson de Higgs dans le canal à quatre leptons ainsi que des mesures précédentes réalisées dans le canal diphoton par les collaborations CMS et ATLAS. En particulier, les résultats obtenus par CMS dans le canal diphoton lors des phases Run 1 (2011-2012) et Run 2 (2016-2018) du LHC ont été combinés, conduisant à une valeur de la masse du boson de Higgs de 125.07 ± 0.13 GeV, mesure dont la précision expérimentale est comparable aux deux plus précises autres mesures (celles d’ATLAS dans le canal diphoton et de CMS dans le canal en 4 leptons).
Comme le montre la Figure 4, cette valeur est en excellent accord avec les autres mesures réalisées par CMS et ATLAS. L’ensemble de ces résultats montre une remarquable cohérence expérimentale et confirme la robustesse des méthodes d’analyse développées au LHC.
Encore une amélioration sur la précision à venir
À l’avenir, la combinaison de l’ensemble des mesures disponibles permettra d’atteindre une précision encore inégalée sur la masse du boson de Higgs, qui pourra être encore améliorée grâce aux données collectées lors du Run 3 (2022-2026) du LHC. Ces avancées illustrent la capacité du LHC et de ses expériences à sonder avec une précision exceptionnelle les propriétés fondamentales du boson de Higgs.
Contacts : Paul GAIGNE, Fabrice COUDERC
[1] A measurement of the Higgs boson mass in the diphoton decay channel with the CMS detector, CMS-PAS-HIG-24-007 (2026)
[2] F. Couderc and P. Gaigne and M. Ö. Sahin, Lepton energy scale and resolution corrections based on the minimization of an analytical likelihood: IJazZ2.0. http://dx.doi.org/10.2139/ssrn.6319529
