Les collaborations ATLAS et CMS ont présenté pour la première fois leur mesure combinée de la masse du boson de Higgs, parvenant à une mesure précise à 0,2% près. Présentée lors de la 50e édition des «Rencontres de Moriond» en Italie le 17 mars 2015, cette mesure est l’une des plus précises obtenues au LHC à ce jour. Les physiciens du CEA-Irfu ont joué un rôle majeur pour obtenir ce résultat, à travers leurs contributions sur l’étalonnage des calorimètres électromagnétiques d’ATLAS et de CMS ainsi que sur la reconstruction des muons dans le spectromètre d’ATLAS.
Le boson de Higgs dispose de nombreux canaux de désintégration. Deux d'entre eux ont été exploités pour cette mesure : la désintégration du boson de Higgs en deux photons et celle en quatre leptons, où lepton désigne ici soit l'électron soit le muon. Dans ces deux canaux, toutes les particules issues de la désintégration sont observées, et leur direction et énergie peuvent être mesurées avec une grande précision, ce qui permet en conséquence une reconstruction très précise de la masse du boson de Higgs.
Les expériences ATLAS et CMS ont détecté quelques centaines d’ « événements » (des désintégrations de bosons de Higgs après collision de deux protons) dans le canal Higgs-2 photons et quelques dizaines dans le canal Higgs-4 leptons, en utilisant les données recueillies au LHC en 2011 et 2012, après analyse d’environ 4 millions de milliards de collisions proton-proton. Les deux collaborations ont joint leurs forces pour travailler sur une mesure combinée, et ont examiné très finement les sources d’incertitudes et proposé un traitement statistique commun et cohérent. Cette étude permet également de tester la cohérence des mesures entre les différents canaux observés et entre les expériences. Elle a conclu à une bonne compatibilité des mesures (voir figure ci-contre).
La mesure combinée des deux expériences donne une valeur de 125,09 ± 0,24 GeV (0,21 statistique ± 0,11 systématique.). L’incertitude sur la mesure de masse (0,2%) est encore dominée par l’incertitude statistique, car chaque collaboration a apporté le plus grand soin à réduire les incertitudes systématiques reliées à la qualité et à la compréhension des détecteurs, au niveau de 0,1%. Cette mesure combinée de la masse représente une première étape vers d’autres mesures combinées des propriétés du boson de Higgs.
Les équipes ATLAS et CMS du CEA sont associées à ce résultat à plusieurs titres : à travers le rôle du CEA-Irfu dans la conception, la réalisation et la mise en œuvre des détecteurs, en particulier les calorimètres électromagnétiques d’ATLAS et CMS (essentiels pour la mesure dans le canal 2-photons et 4-électrons) et le spectromètre à muons d’ATLAS (essentiel pour le canal 4-muons). Les physiciens du CEA-Irfu ont ensuite pris une part importante dans les analyses de ces canaux, en particulier 2-photons dans CMS et 4-leptons pour ATLAS (voir fait marquant du 20 juillet 2014). Certains ont aussi participé directement à la mise en place de la mesure combinée.
Après deux ans d’arrêt pour maintenance, le LHC s’apprête à redémarrer à une énergie de 13 TeV, soit une augmentation de 60% par rapport au fonctionnement de 2011 et 2012. Au cours de cette deuxième phase d’exploitation du LHC, les deux expériences pourront combiner rapidement leurs résultats et accroître ainsi la sensibilité du LHC à des effets susceptibles d’indiquer une nouvelle physique au-delà du Modèle standard. Mais en premier lieu cette augmentation de l’énergie des collisions ouvrira un nouveau domaine pour la recherche de particules ou d’effets inconnus.
À propos du boson de Higgs
Le boson de Higgs est un élément essentiel du modèle standard de la physique des particules, théorie qui décrit l’ensemble des particules élémentaires connues et leurs interactions. Dans ce modèle, le mécanisme de Brout-Englert-Higgs, qui a conduit à la prédiction de l’existence du boson de Higgs, donne leur masse à toutes les particules élémentaires (hormis peut-être les neutrinos). C’est la découverte de ce boson en 2012 par les expériences ATLAS et CMS au CERN qui a valu le prix Nobel de physique à Peter Higgs et François Englert en 2013. Le modèle standard ne prédit pas la masse du boson de Higgs. Celle-ci doit donc être mesurée expérimentalement
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