Le CMS enregistre la paire de leptons la plus énergétique jamais observée et teste la possibilité d'un boson de Higgs composite

L'expérience CMS a récemment utilisé l'ensemble complet des données de collisions proton—proton collectées pendant la deuxième période d'exploitation du Grand collisionneur de hadrons ainsi que les deux premières années de la troisième période, soit de 2022 à 2023, pour rechercher des indices suggérant que le boson de Higgs pourrait être composé de constituants plus petits. Les résultats de l'analyse montrent que les données expérimentales sont conformes aux prédictions du Modèle standard, sans qu'aucune preuve de nouvelle physique n'ait été mise en évidence.

La question de savoir si le boson de Higgs est une particule élémentaire ou une particule composite possédant une structure plus profonde est une préoccupation de longue date en physique des particules. Pour tester cette possibilité, l'équipe CMS a adopté deux voies complémentaires : d'une part, rechercher directement de nouvelles particules lourdes susceptibles d'être produites au Grand collisionneur de hadrons ; d'autre part, sonder indirectement l'influence de nouvelles particules plus massives et difficiles à produire directement, à travers les écarts subtils dans les processus de production de paires d'électrons et de paires de muons à haute énergie.

Cette étude a analysé des événements de collisions proton—proton à des énergies de centre de masse de 13 TeV et 13,6 TeV, en sélectionnant les événements contenant deux électrons ou deux muons à haute énergie, afin d'étudier des paires de leptons dont la masse peut atteindre plusieurs TeV. Parmi ceux-ci, le CMS a enregistré un événement composé de deux électrons, avec une masse atteignant 5,2 TeV, ce qui constitue l'événement à deux électrons de plus haute masse jamais observé par cette expérience. Ces événements rares et de haute énergie offrent une fenêtre importante pour la recherche de nouvelles particules et de nouvelles interactions au-delà du Modèle standard.

L'étude a également adopté une nouvelle méthode de simulation. Cette méthode ne nécessite pas de générer des échantillons de simulation distincts pour chaque hypothèse de nouvelle physique ; elle consiste plutôt à rééchantillonner les résultats de la simulation du Modèle standard par repondération, permettant ainsi de prédire les effets potentiels de différents scénarios de nouvelle physique tout en préservant la précision théorique.

Bien qu'aucun signal s'écartant du Modèle standard n'ait été détecté, cette analyse a fourni les contraintes les plus strictes jamais établies par le CMS sur les paramètres obliques électrofaibles W et Y. Le Modèle standard prédit que ces deux paramètres sont nuls ; ils peuvent être utilisés pour décrire les effets potentiels de nouvelles particules lourdes avec une dépendance relativement faible au modèle spécifique. Combinée aux résultats de recherche du boson W′ lourd obtenus pendant la deuxième période d'exploitation du CMS, cette étude apporte également les contraintes les plus fortes actuellement établies par le CMS sur plusieurs modèles de boson de Higgs composite, resserrant davantage l'espace des paramètres des théories de nouvelle physique associées.

Oliver Carretero, doctorant au CIEMAT de Madrid participant à l'étude, a indiqué que bien qu'aucune preuve d'un boson de Higgs composite n'ait été trouvée à ce jour, ce résultat démontre la capacité importante des mesures de précision du Grand collisionneur de hadrons dans la recherche de nouvelle physique ; avec l'accumulation de davantage de données lors des futures périodes d'exploitation, les techniques associées devraient permettre d'améliorer encore la capacité de détection des indices indirects au-delà du Modèle standard.