Le CERN découvre des indices statistiques de la production de paires de bosons de Higgs

Les équipes de physique du CERN ont récemment découvert des indices statistiques de la production de paires de bosons de Higgs dans l'analyse des données du Grand collisionneur de hadrons. Les chercheurs ont analysé les résultats de millions de collisions sur huit ans, et les résultats ont été présentés à la conférence ICHEP, donnant lieu à deux prépublications.

La figure montre des schémas d'événements liés à la production de deux bosons de Higgs observés par ATLAS (à gauche) et CMS (à droite)  CERN

Le boson de Higgs a été découvert en 2012, et depuis, les physiciens mesurent en continu ses interactions avec d'autres particules élémentaires afin de tester l'explication du modèle standard sur l'origine de la masse de la matière. Cependant, le phénomène d'interaction du boson de Higgs avec lui-même n'a pas encore été directement observé. Ce processus d'auto-interaction revêt une importance majeure pour tester le modèle standard et contribue également à l'étude de la stabilité du vide physique de l'univers.

Cependant, la production de paires de bosons de Higgs est extrêmement rare. Dans les collisions de protons, une paire de bosons de Higgs ne peut apparaître que pour environ 1500 bosons de Higgs individuels produits. En raison de la durée de vie extrêmement courte de ces particules, les chercheurs ne peuvent pas les observer directement sur une longue période et ne peuvent rechercher leurs traces qu'à travers leurs produits de désintégration.

Les deux collaborations internationales ATLAS et CMS ont concentré leur analyse sur une classe d'événements : un boson de Higgs se désintègre en quark bottom et antiquark bottom, tandis que l'autre se désintègre en leptons τ et leurs antiparticules. Étant donné que la désintégration des leptons τ produit des neutrinos difficiles à détecter, la reconstruction des événements est perturbée par le bruit de fond. Les chercheurs ont donc introduit des algorithmes d'apprentissage automatique pour séparer les signaux cibles potentiels des données complexes, et ont combiné les données des phases précédentes du Grand collisionneur de hadrons avec les données précoces de la troisième période d'exploitation (2015-2023) pour une analyse conjointe.

Les résultats montrent que le nombre d'événements similaires à la production de paires de bosons de Higgs a augmenté par rapport aux observations précédentes. La collaboration ATLAS a observé un excès de signal de 2,6 écarts-types par rapport au bruit de fond attendu ; la collaboration CMS a quant à elle imposé des limites plus strictes, excluant la possibilité que le taux de production de paires de bosons de Higgs atteigne quatre fois la valeur prédite par le modèle standard.

Les chercheurs estiment que les nouvelles données fournissent des indices directs sur le processus de production de paires de bosons de Higgs, mais la significativité statistique actuelle reste insuffisante pour confirmer l'observation. À l'avenir, avec le passage du Grand collisionneur de hadrons en mode de fonctionnement à haute luminosité, le volume de données devrait augmenter considérablement, ce qui permettra de réduire davantage le bruit statistique et de rendre le signal de ce processus rare plus clair.