Institut de recherche sur les lois fondamentales de l'Univers

Mariage poids lourd

Le quark top et le boson de Higgs sont les deux particules les plus massives du modèle standard de la physique des particule (MS). Le couplage du boson de Higgs aux particules est proportionnel à la masse de la particule en question. Plus une particule est massive, plus la probabilité que le boson de Higgs se désintègre en, ou soit produit par, une paire particule-antiparticule est importante. Autant dire que l’on attend une interaction Higgs-quark top très grande.

Il est possible d’inférer indirectement ce couplage, qu’on appelle couplage de Yukawa du quark top, par l’étude des processus de production des bosons de Higgs par fusion de gluons ou de désintégration des bosons de Higgs en deux photons. Ces processus (voir diagrammes ci-contre, en haut) peuvent en effet faire intervenir une boucle de quarks top mais aussi de quarks b ou de bosons W, qu'on ne sait pas dissocier. Pour mesurer directement le couplage de Yukawa du quark top, le processus « ttH » (voir diagramme ci-contre, en bas) est le seul dont le taux de production y est directement proportionnel.

La difficulté d’une telle observation vient, d’une part, du très faible taux de production (1% seulement de la production totale de bosons de Higgs), mais aussi de la multiplicité des états finals associés : on attend dans le détecteur de 6 à 10 objets, photons, leptons chargés ou jets de particules venant des désintégrations des quarks top et du Higgs.

Atlas a choisi d’analyser les données enregistrées en 2015 et 2016 à 13 TeV d’énergie de collision en sélectionnant des topologies d’état finals avantageuses, en termes de rapport signal sur bruit de fond, ou en termes de taux de production. Les résultats des deux canaux suivant viennent d’être rendus publics au Cern : l’état final doit contenir

1. soit un ou deux leptons chargés accompagnés de 4 jets issus de quarks beaux, c’est le canal « ttH bb »,
2. soit au moins deux jets issus de quarks beaux accompagnés de deux leptons chargés de même charge ou d’au moins trois leptons chargés, c’est le canal « ttH ML » (« ML » pour « multilepton »).

Beautés en couple

Dans le canal ttH bb, on attend quatre jets issus de quarks beaux plus un ou deux leptons chargés (voir diagrammes ci-contre). Près de 60% des bosons de Higgs se désintégrant en paire de quarks beaux, ce canal offre une grande statistique. En revanche, il est assez difficile à étudier dans la mesure où les paires de quarks top sont souvent produites en association avec une paire de quarks beaux venant de gluons, ce qui constitue un très important bruit de fond.

Pour pallier ce problème, les événements sont répartis en catégories de différentes sensibilités selon le nombre de jets de l’état final. Dans les régions les plus sensibles, Atlas utilise des algorithmes de « machine learning » pour extraire le faible signal. Il est aussi possible de sélectionner dans ces catégories des topologies particulières contenant des jets de grande impulsion. Cette étude a fait l’objet d’une thèse de l’Irfu/DPhP, soutenue en 2017, qui montre que cette option nécessite beaucoup plus de données que celles analysées ici, mais pourrait être utile au HL-LHC (LHC haute luminosité, phase dont le démarrage est prévu en 2025).

Des leptons à foison

Le canal ttH ML souffre de taux de production beaucoup plus faibles que le canal ttH bb mais les bruits de fonds sont nettement moins importants et plus faciles à identifier, donc à rejeter. Pour ce faire, les événements sont séparés selon leur état final (essentiellement nombre de leptons chargés dont nombre de leptons de même charge).

La combinaison des différentes catégories permet de mettre en évidence la présence d’événements ttH, comme l’illustre la figure ci-contre qui donne le nombre d’événements observés en fonction du rapport signal sur bruit de fond. Dans les intervalles les plus à droite, le niveau d’événements ttH prédit par le MS (zone orangée) se détache nettement au-dessus du nombre d’événements de bruit de fond attendu (en blanc), c’est la zone la plus sensible. Et les données (points noirs avec barre d’erreur statistique) montrent un net excès par rapport au bruit de fond attendu, prouvant l’existence du signal ttH.

Combinaison

La figure ci-contre montre l’accord entre les sections efficaces des différents canaux ttH mesurées et les prédictions du MS (µ est le rapport mesure/MS). Les résultats pour les canaux présentés ci-dessus (ttH bb et ttH ML) y sont donnés conjointement avec les résultats de deux autres canaux (ttH gg et ttH ZZ). Ces quatre résultats ont été combinés statistiquement, la combinaison est donnée sur la dernière ligne. On observe, par rapport à l’hypothèse « bruit de fond seulement » (c’est-à-dire quand le couplage du quark top au boson de Higgs est nul), un excès de 4,2 écarts standard. D’où le vocable de « preuve » ! Il faudra attendre 5 écarts standard au moins pour parler d’observation. Néanmoins, s’ils ne se permettent pas encore d’en extraire une valeur pour le couplage de Yukawa du quark top, les physiciens ne boudent pas leur plaisir et ont calculé la section efficace de production ttH correspondante :  590 ± 155 fb (à comparer avec le mode de production de boson de Higgs le plus probable, par fusion de gluons, qui a une section efficace environ 100 fois plus élevée). Cette section efficace est en bon accord avec la prédiction du MS.

Contact : Henri Bachacou