Depuis la découverte d'un boson de Higgs par les expériences Atlas et CMS en juillet 2012, les physiciens des deux collaborations ont multiplié les efforts pour mesurer les propriétés de cette nouvelle particule. Après des décennies de recherches, la découverte de 2012 représente une étape historique pour le LHC et a conduit à l'attribution du Prix Nobel de Physique à Peter Higgs et Francois Englert en 2013. Une question restant ouverte après cette découverte concerne la nature de cette nouvelle particule, à savoir si elle correspond bien à celle attendue dans le cadre du modèle standard ou bien si elle est une particule différente et peut-être l'une des nombreuses particules encore à découvrir. Avec les résultats présentés aux conférences cet été, les physiciens du LHC ont commencé à apporter des réponses à ces questions et montré que, pour le moment, la particule se comporte comme le boson de Higgs du modèle standard.
La 37ème conférence internationale sur la physique des hautes énergies s'est achevée récemment. Cette conférence constitue une étape bi-annuelle majeure pour la physique des particules, qui en 2014 a eu lieu à Valence, en Espagne. A cette conférence, les collaborations Atlas et CMS ont présenté un large éventail de résultats sur le boson de Higgs. Ces nouveaux résultats sont basés sur l’échantillon complet des données de collisions proton-proton produites au LHC, à des énergies dans le centre de masse de 7 et 8 TeV et correspondant à une luminosité intégrée d'environ 25 fb-1 par expérience. Les analyses font intervenir les constantes d'étalonnage et d'alignement finales des détecteurs.
Le boson de Higgs du modèle standard est la particule associée à un champ omniprésent dont on suppose qu'il donne la masse aux particules fondamentales par le mécanisme de Brout-Englert-Higgs. C’est une particule éphémère qui se désintègre en particules plus légères presque immédiatement après avoir été produite dans les collisions du LHC. Deux canaux de désintégration particuliers, où le boson de Higgs se désintègre en deux photons, ou en quatre leptons (électrons ou muons), permettent une mesure précsise de la masse de cette particule.
Dans le canal de désintégration en quatre leptons, la résonance observée par l'expérience Atlas a une masse mesurée à 124.51 +/- 0.50 GeV. Les derniers résultats de l’expérience CMS dans le canal de désintégration en deux photons montrent un pic à 124.70 +/- 0.34 GeV dans le spectre de masse invariante à deux photons, avec une signification de 5 déviations standard. La précision de ces nouvelles mesures de masse témoigne de la conception remarquable et de la construction méticuleuse des détecteurs CMS et Atlas, de leur bon fonctionnement et des efforts inlassables des équipes d'analyse dans la compréhension de la performance des détecteurs. Les groupes Atlas et CMS de Saclay ont joué un rôle moteur et prépondérant dans toutes ces étapes, et notamment dans la calibration des calorimètres électromagnétiques des deux expériences, et du spectromètre à muons d'Atlas.
Illustration des améliorations dues à l'étalonnage des calorimètres d'Atlas et CMS sur la masse d'une particule bien connue, le boson Z
Avec la publication récente de CMS dans la revue Nature concernant la mise en évidence (3.8 déviation standard) de la désintégration du boson de Higgs en fermions combinant les recherches dans le canal de désintégration en paire de quarks b avec celui en paire de lepton tau, les nouveaux résultats présentés à Valence fournissent des indications frappantes de sa nature conforme au modèle standard. Atlas a également obtenu un signal significatif dans le canal en leptons tau, et une indication dans le canal en quarks b. Le groupe CMS de Saclay a joué un rôle majeur dans la recherche du boson de Higgs dans le canal de désintégration en paires de leptons tau ainsi que dans les études de spin/parité.
Ces résultats ouvrent la voie à une combinaison préliminaire de tous les canaux de désintégration observés à ce jour, pour en extraire le maximum d'information sur les propriétés de cette nouvelle particule et ses couplages avec les autres particules fondamentales. Le meilleur ajustement combiné donne des mesures de couplages de la nouvelle particule aux fermions d'une part et aux bosons d'autre part compatibles avec les prédictions du modèle standard. La combinaison préliminaire pour la masse du boson de Higgs vaut mH = 125.03 ± 0.30 GeV dans CMS et mH = 125.36 ± 0.41 GeV dans Atlas.
Mesures dans les différents modes de désintégrations du boson de Higgs. Les rapports de ces mesures avec les prédictions du modèle standard sont proches de 1 ce qui signifie que le boson de Higgs est plutôt "standard"
Distributions simulées et observées (points noirs) pour le boson de Higgs se désintégrant en quatre leptons ou en deux photons.
Pris ensemble, ces résultats représentent un tour de force impressionnant, l'aboutissement de quatre années d'efforts laborieux qui ont commencé avec les premières recherches du boson de Higgs en 2010. Avec la finalisation des résultats du Run1 du LHC, les expériences Atlas et CMS sont maintenant concentrées sur la préparation du Run 2, où l'énergie du LHC dans le centre de masse sera portée à un maximum de 13 TeV et la luminosité sera fortement augmentée.
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