Du 5 au 12 juillet 2017, la communauté mondiale de physique des particules s’est réunie à Venise à l’occasion de la conférence EPS2017, occasion pour toutes les expériences LHC de présenter les résultats issus de l’exploitation des données fournies par le LHC à 13 TeV (de 2015 à 2016). Des physiciens du DPhP, experts en recherche d’hypothétiques particules de type « boson de Higgs » mais plus massifs, ont contribué aux résultats présentés. Leurs analyses nouvelles permettent d’améliorer la sensibilité aux Higgs lourds.
Des cousins massifs pour le boson de Higgs
En 2012, les collaborations ATLAS et CMS au LHC ont découvert l’unique boson de Higgs du modèle standard (MS). Cette découverte a marqué une étape importante : toutes les particules prédites par le MS étaient enfin observées. Cependant, vu les insuffisances du MS a expliquer certains phénomènes physiques (matière noire, masse des neutrinos, par exemple), la communauté des physiciens des hautes énergies cherche activement des signes d'une physique non prédite par le MS dans les collisions de protons au LHC. En particulier, l’existence de bosons de Higgs supplémentaires n’est pas exclue.
Un groupe de physiciens du DPhP s‘est spécialisé dans la recherche d’un boson de Higgs additionnel de plus haute masse via sa désintégration en une paire de bosons Z, qui, instables, se désintégrent immédiatement. L’équipe du DPhP utilise deux topologies d’événements dans le détecteur Atlas : l‘une caractérisée par la présence de quatre leptons chargés (quand chacun des deux bosons Z se désintégre en une paire lepton chargé-antilepton chargé, on parle du canal « llll »), l’autre caractérisée par la présence de deux leptons chargés et de deux neutrinos (lorsque l’un des bosons Z se désintègre en une paire lepton chargé-antilepton chargé et l’autre en une paire neutrino-antineutrino, on parle du canal « ll
Une fois ces événements sélectionnés, la présence de bosons de Higgs lourds est recherchée sous la forme d‘excès (bosses ou « résonances ») dans la distribution de masse invariante des leptons de l’état final (l’état final est composé des particules détectées suite à une collision de protons dans le LHC). La masse invariante est directement utilisée dans le cas de l'état final « llll ». Dans le cas de l’état final « ll
La recherche de résonances hypothétiques est effectuée pour des masses comprises entre 200 GeV et 2000 GeV en fonction de l'état final et du modèle considéré. En cas d’absence d’excès significatif dans les données, les résultats sont interprétés comme des limites supérieures sur la probabilité de production d'une résonance.
La figure de gauche montre la distribution de masse invariante des 4 leptons chargés dans le cas de l’analyse llll. Les points noirs correspondent aux données expérimentales, qui sont comparées aux prédictions simulées en ne considérant que les phénomènes du modèle standard (les distributions en couleur). La figure de droite montre la distribution de masse transverse dans le cas de l’état final ll??. Les données ne montrent à ce jour aucun excès significatif par rapport aux prédictions du MS.
De nouveaux recoins où mener l‘enquête
Les résonances (comme les bosons Z et W par exemple, mais aussi le boson de Higgs) sont caractérisées non seulement par une masse mais aussi par une largeur naturelle. Cela se traduit par le fait que la distribution en masse invariantes des produits de désintégration de ces particules n’est pas un pic infiniment étroit positionné à la valeur de la masse de la particule mais une distribution plus ou moins large autour de cette valeur. Pour le boson de Higgs du modèle standard cette largeur est de l’ordre de quelques MeV, c’est-à-dire très petite par rapport à sa masse de 125 GeV. Il faut aussi considérer l’effet de la résolution du détecteur, la largeur de la distribution de masse reconstruite est une combinaison de la largeur naturelle et de cette "largeur expérimentale". Par exemple, dans le cas du boson de Higgs standard, la largeur reconstruite est de l’ordre du GeV.
La grande nouveauté apportée par l’équipe du DPhP a consisté à considérer de nouveaux modèles avec boson de Higgs lourds dans lesquels la largeur naturelle de la nouvelle particule n’est plus négligeable par rapport à la largeur expérimentale et par rapport à l'écart en masse entre le boson lourd additionnel et le boson de Higgs du MS. Par exemple, des largeurs naturelles entre 5% et 20% de la masse de la particule (pour des masses de plusieurs centaines de GeV) ont été considérées. Une analyse rigoureuse doit alors prendre en compte le phénomène d’interférence quantique entre ces deux particules. Il faut aussi, dans l'analyse, prendre en compte les interférences entre le boson lourd et les bruits de fond constitués des autres processus de production de paire de boson Z (même état final). Pour la première fois, grâce à une contribution majeure du groupe du DPhP, ce phénomène a été modélisé et pris en compte dans l’analyse des résultats.
Résultats
Aucun nouveau boson de Higgs n’a été trouvé pour le moment. La figure ci-contre montre les limites à 95% de niveau de confiance sur σxBR (où σ est la section efficace de production du Higgs lourd et BR sa probabilité de désintégration en une paire de boson Z) en fonction de la masse de l’hypothétique boson additionnel, dans un modèle ou sa largeur est égale à 5% de sa masse. Par rapport aux résultats du Run-1, la sensibilité de l‘analyse présentée ici s’étend jusqu’à des valeurs de masse deux fois plus élevées. Il faudra inclure l’analyse des données de la fin du Run-2 et du Run-3 pour espérer trouver un cousin massif, au-delà de 1000 GeV, à l’unique boson de Higgs du MS.
Contacts : Rosy Nikolaidou, Samira Hassani, Denys Denysiuk
Limite supérieure à 95% de niveau de confiance sur le produit de la section efficace de production d’un hypothétique boson de Higgs lourd par son rapport d’embranchement en deux bosons Z, en fonction de sa masse. La ligne pointillée noire correspond à la limite attendue compte tenu du niveau de bruit de fond estimé. La ligne continue correspond à la limite mesurée. Les bandes verte et jaune montrent les régions à un et deux sigmas respectivement autour de la courbe attendue.
• Constituants élémentaires et symétries fondamentales › Physique des particules auprès des collisionneurs
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