L'expérience CMS progresse dans la recherche de paires de bosons de Higgs avec de nouvelles données

La collaboration CMS a récemment publié de nouvelles avancées dans l'étude de la production de paires de bosons de Higgs. Cette étude repose sur les données de collisions de protons à une énergie de centre de masse de 13,6 TeV enregistrées par le détecteur CMS entre 2022 et 2024, et se concentre sur la recherche du processus où un boson de Higgs se désintègre en une paire quark bottom—antiquark bottom et l'autre boson de Higgs se désintègre en une paire lepton τ—antilepton τ, soit le canal HH→bbττ.

Depuis la découverte du boson de Higgs en 2012, les collaborations CMS et ATLAS mesurent en continu les interactions du boson de Higgs avec les autres particules du Modèle standard, et les résultats actuels restent globalement conformes aux prédictions du Modèle standard. En revanche, l'« auto-couplage » entre plusieurs bosons de Higgs reste encore à vérifier expérimentalement. Le processus de production de paires de bosons de Higgs constitue précisément une voie importante pour étudier cette question, et pourrait également offrir des indices pour explorer une nouvelle physique au-delà du Modèle standard.

Au Grand collisionneur de hadrons, les paires de bosons de Higgs peuvent être principalement produites par deux mécanismes : la fusion gluon—gluon et la fusion de bosons vecteurs. Le premier permet d'étudier l'auto-couplage du boson de Higgs, tandis que le second sert à étudier l'interaction entre deux bosons de Higgs et deux bosons W ou Z. Étant donné que ces deux processus présentent des topologies d'événements différentes dans le détecteur, les chercheurs peuvent distinguer l'origine des événements et contraindre séparément les intensités d'interaction correspondantes.

Figure ci-dessus : événement candidat HH→bbττ enregistré par l'expérience CMS lors de la prise de données de 2024.

Cette analyse utilise les données de 172 fb⁻¹ collectées entre 2022 et 2024. Les résultats montrent qu'à un niveau de confiance de 95 %, CMS fixe la limite supérieure du taux de production de paires de bosons de Higgs observé à 6,6 fois la valeur prédite par le Modèle standard ; la limite supérieure pour la production de paires de bosons de Higgs par fusion de bosons vecteurs est de 81 fois la valeur prédite par le Modèle standard.

Figure ci-dessus : valeurs observées et attendues de la production de HH à 95 % CL.

L'étude a également combiné les données de 138 fb⁻¹ collectées entre 2016 et 2018 à une énergie de centre de masse de 13 TeV. Les résultats combinés montrent qu'à un niveau de confiance de 95 %, la limite supérieure de la section efficace totale de production de paires de bosons de Higgs est de 4,0 fois la valeur prédite par le Modèle standard ; l'intensité de l'auto-couplage du boson de Higgs est contrainte entre -2,5 et 9,4, et l'intensité du couplage entre deux bosons de Higgs et deux bosons vecteurs est contrainte entre 0,02 et 2,1.

Étant donné que le taux de production de paires de bosons de Higgs est environ 1000 fois inférieur à celui d'un boson de Higgs unique, ce type d'étude exige des volumes de données et des méthodes d'analyse très élevés. Pour améliorer la sensibilité, CMS a introduit dans cette analyse des algorithmes de déclenchement plus efficaces et de nouvelles méthodes d'apprentissage automatique. Avec l'accumulation de davantage de données en 2025 et 2026, et la combinaison statistique avec d'autres canaux de désintégration, la sensibilité de la recherche de paires de bosons de Higgs devrait continuer à s'améliorer. Le Grand collisionneur de hadrons à haute luminosité, dont la mise en service est prévue vers 2030, offrira également à CMS les conditions nécessaires pour enregistrer des échantillons de données à plus grande échelle.