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Après la découverte du boson de Higgs en 2012, une nouvelle étape majeure vient d’être franchie dans la compréhension du mécanisme qui confère une masse aux particules élémentaires constituant la matière. L’équipe ATLAS du CPPM a joué un rôle majeur et précurseur dans ce résultat.

La collaboration ATLAS, qui exploite l’un des détecteurs géants scrutant les collisions de protons produites par le Grand Collisionneur de Hadrons (LHC) du CERN à Genève, a annoncé [1] le lundi 4 juin 2018 à la conférence LHCP à Bologne avoir observé la production simultanée du boson de Higgs avec deux quarks top, appelée familièrement “production ttH” par les experts. “Il s’agit d’une mesure fondamentale dans l’exploration du mécanisme de Higgs”, commente Karl Jakobs, le porte-parole des quelques 3000 physiciens du monde entier formant la collaboration ATLAS. Ce résultat établit fermement que le boson de Higgs interagit directement avec les quarks, qui composent les protons et neutrons de la matière. De plus, le quark top étant la particule élémentaire la plus massive, cette mesure est une sonde précise de la nature de cette interaction.

“Cette recherche est l’une des plus difficiles jamais conduites dans l’expérience” précise Fabio Cerutti, qui coordonne l’ensemble des études sur le boson de Higgs dans ATLAS. De fait, ce résultat, corroboré par CMS, l’autre grande expérience du LHC, constitue une prouesse à plus d’un titre. Tout d’abord parce que le phénomène est extrêmement rare : à l’énergie actuelle du LHC, il faut faire plus de 150 milliards de collisions de protons pour produire un seul événement de ce type ! De plus, le boson de Higgs se désintégrant sous de multiples formes, une grande palette d’analyses différentes et innovantes a été mise en place pour utiliser le plus possible des événements produits, et les résultats ont été combinés par des méthodes statistiques avancées. Cette variété des désintégrations, combinée au fait que les quarks top eux-mêmes se désintègrent en de nombreuses particules, conduit à des signatures complexes dans le détecteur, comprenant simultanément un nombre élevé d’objets de nature différente qui doivent être mesurés précisément.

Le résultat annoncé aujourd’hui est le fruit d’une stratégie étagée d’analyse menée par de nombreuses équipes de la collaboration, exploitant les données collectées entre 2015 et 2017 à une énergie de 13 TeV. Dans un premier temps, c’est la désintégration du boson de Higgs en deux quarks bottom qui a été recherchée. Il s’agit en effet de la désintégration la plus probable, mais elle est très difficile à observer dans le détecteur. Avec l’accumulation de plus de données, il est devenu possible de chercher les désintégrations du boson de Higgs en notamment une paire de bosons W, mode plus rare mais produisant des leptons, moins ambigus à identifier dans le détecteur. Enfin plus récemment des modes de désintégration encore plus rares mais très clairs expérimentalement, et qui ont d’ailleurs permis la découverte du boson de Higgs lorsqu’il était produit tout seul, ont également été combinés. C’est ainsi notamment le cas de la désintégration du boson de Higgs en deux photons qui se produit une fois pour 500 désintégrations. La combinaison de l’ensemble de ces mesures [2] a conduit à l’observation de la production ttH avec une sensibilité statistique au-delà du seuil de 5 écarts standards traditionnellement requis pour une découverte. Ce seuil signifie que si la production ttH n’existait en fait pas, l’expérience avait au plus environ une chance sur 3.5 millions de l’observer malgré tout par erreur. Avec les futures données qui seront collectées, le couplage entre le boson de Higgs et le quark top sera mesuré plus précisément, ce qui pourrait donner lieu à de nouvelles découvertes.

L’équipe ATLAS du CPPM a joué un rôle majeur dans cette étude, et ce de longue date, formant une quinzaine de doctorants sur ce sujet. Dès le début des années 2000, le groupe a conduit les premières études détaillées sur la faisabilité de la recherche dans le canal avec deux quarks bottom, et a proposé le canal avec deux bosons W et introduit à cet effet les signatures leptoniques (deux leptons de même signe et trois leptons). Depuis 2015, la recherche de la production ttH est l’une des deux thématiques principales du groupe, et un physicien du groupe a coordonné cette activité dans ATLAS en 2015-2016. Pour le premier mode avec deux quarks bottom, l’équipe a mis à profit son expertise largement reconnue dans l’identification expérimentale de ces quarks, construite sur l’exploitation des informations très précises du détecteur à pixels, partiellement conçu et construit au laboratoire. Le groupe a mis en œuvre à cette fin des méthodes d’identification basées sur des techniques d’apprentissage automatique, et a également développé des techniques similaires pour l’analyse elle-même afin de discriminer le signal du bruit de fond. De façon analogue, s’appuyant sur l’expertise locale pour l’identification des électrons, liée à la conception et construction d’une partie du calorimètre électromagnétique par le laboratoire, l’équipe a joué aussi un rôle de premier plan dans l’analyse du canal avec des leptons, notamment pour l’identification des électrons et la discrimination du signal par des techniques d’apprentissage automatique. Pour ces deux étages d’analyse, l’équipe a eu un rôle primordial dans l’ajustement statistique final. Deux membres du groupe avaient enfin la responsabilité éditoriale pour la collaboration des deux publications [3][4] afférentes à ces canaux, publiées en avril dans Physical Review D.

  1. https://atlas.cern/updates/press-st…
  2. https://arxiv.org/abs/1806.00425
  3. https://arxiv.org/abs/1712.08895, Phys. Rev. D 97 (2018) 072016
  4. https://arxiv.org/abs/1712.08891, Phys. Rev. D 97 (2018) 072003

Contact : Laurent Vacavant

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