Lors de la conférence EPS-HEP 2025, la collaboration ATLAS a présenté ses résultats sur la désintégration exceptionnellement rare du boson de Higgs en une paire de muons à l’aide des données collectées lors de la troisième phase (Run-3) d’exploitation du Grand collisionneur de hadrons (LHC), analyse dans laquelle l’Irfu joue un rôle central. Ce processus offre la meilleure occasion d’étudier l’interaction du boson de Higgs avec les fermions de deuxième génération et contribue à faire la lumière sur l’origine de la masse. Il permet de mieux comprendre dans quelle mesure le comportement du boson de Higgs correspond au modèle standard.
Depuis la découverte du boson de Higgs en 2012, les physiciens ont fait des progrès considérables dans l’exploration de ses propriétés. Cela signifie-t-il que le sujet est clos ? Loin de là ! Dans de nouveaux résultats présentés [2,3] lors de la Conférence de la Société Européenne de Physique sur la Physique des Hautes Énergies (EPS-HEP) à Marseille cette année, la collaboration ATLAS s’est concentrée sur une désintégration exceptionnellement rare du boson de Higgs, en utilisant les données collectées lors de la phase 3 (Run-3) du Grand collisionneur de hadrons (LHC). Cette étude offre des perspectives approfondies sur la manière dont le comportement du boson de Higgs s’aligne avec les prédictions du modèle standard.
L’équipe ATLAS de l’Irfu possède une longue expérience dans la recherche du boson de Higgs et a apporté une contribution significative à la découverte du boson de Higgs puis à la mesure de ses propriétés. L’équipe est fortement impliquée dans cette analyse de désintégration de boson de Higgs en deux muons, grâce à sa contribution majeure et à son rôle prépondérant dans la reconstruction et l’identification des muons, l’assurance de la qualité des données collectées au Run-3 et les guides d’utilisation pour l’analyse physique. Cette contribution a permis d’exploiter les données de Run-3 (période de trois ans 2022-2024) et, en combinant avec les données du Run-2 (période 2015-2018), elle a conduit à la mise en évidence de cette désintégration rare.
Le processus étudié est la désintégration du boson de Higgs en une paire de muons (H→μμ). Malgré sa rareté – il ne se produit que dans une désintégration de Higgs sur 5000 – ce processus offre la meilleure opportunité d’étudier l’interaction de Higgs avec les fermions de deuxième génération et de faire la lumière sur l’origine de la masse à travers les différentes générations.
Chercher des aiguilles dans une botte de foin
L’identification de cette désintégration rare est un véritable défi. Pour H→μμ, les chercheurs ont recherché un petit excès d’événements se regroupant près d’une masse de paires de muons de 125 GeV (la masse du boson de Higgs). Ce signal peut être facilement caché derrière les milliers de paires de muons produites par d’autres processus (« bruit de fond »).
Pour accroître la sensibilité de leurs recherches, les physiciens d’ATLAS ont combiné les trois premières années de données du Run-3 (165 fb-1, collectées entre 2022 et 2024) avec l’ensemble des données du Run-2 (140 fb-1, de 2015 à 2018). Ils ont également mis au point une méthode sophistiquée pour mieux modéliser les processus d’arrière-plan, classer les événements enregistrés en fonction des modes de production de boson de Higgs spécifiques et améliorer leurs techniques de sélection des événements afin de maximiser la probabilité de repérer les signaux authentiques. La figure 1 montre la distribution de masse des paires de muons obtenue à partir des données collectées entre 2022 et 2024 et combinées pour toutes les catégories.
Mettre en évidence
Lors de la précédente recherche de H→μμ à l’aide de l’ensemble complet de données du Run-2, la collaboration ATLAS [4] a vu son premier indice de ce processus au niveau de 2 écarts-types (i.e. l’hypothèse que le résultat observé ne soit dû qu’à une fluctuation de bruit de fond et pas à la présence de signal H→μμ est rejetée à deux écarts standards autrement dit correspond à une chance sur environ 22). Le résultat comparable de CMS [5] a atteint une signification observée (attendue) de 3 (2,5) écarts-types. Aujourd’hui, avec les ensembles de données combinés Run-2 et Run-3, la collaboration ATLAS a mis en évidence le processus H→μμ avec une signification observée (attendue) par rapport à l’hypothèse du fond seul de 3,4 (2,5) écarts-types [1]. Cela signifie que la probabilité que le résultat soit une fluctuation statistique est inférieure à une chance sur 1500 !
Ces résultats ont été rendus possibles grâce à l’excellent et vaste ensemble de données fourni par le LHC, à l’efficacité et aux performances exceptionnelles de l’expérience ATLAS et à l’utilisation de nouvelles techniques d’analyse. Avec davantage de données à l’horizon, le voyage d’exploration se poursuit !
Contact : Rosy Nikolaidou
Références :
- Evidence for the dimuon decay of the Higgs boson in proton-proton collisions with the ATLAS detector
- EPS 2025 presentation by Fabio Cerutti: ATLAS Highlights
- EPS 2025 presentation by Tamar Zakareishvili: Search for rare processes and lepton-flavor-violating decays of Higgs boson at the ATLAS experiment
- A search for the dimuon decay of the Standard Model Higgs boson with the ATLAS detector (Phys. Lett. B 812 (2021) 135980, arXiv: 2007.07830, see figures)
- CMS Collaboration: Evidence for Higgs boson decay to a pair of muons (JHEP 01 (2021) 148)