Les physiciens combinent plusieurs études sur les paires de bosons de Higgs et découvrent des indices sur la stabilité de l'univers

Vous vous souvenez à quel point il était difficile de trouver un boson de Higgs ? Essayez d'en trouver deux au même endroit en même temps. Connu sous le nom de production de di-Higgs, ce processus fascinant peut renseigner les scientifiques sur l'auto-interaction du boson de Higgs.

En l'étudiant, les physiciens peuvent mesurer la force de « l'auto-couplage » du boson de Higgs, qui est un aspect fondamental du modèle standard qui relie le mécanisme de Higgs et la stabilité de notre univers.

La recherche de la production de di-Higgs est une tâche particulièrement difficile. Il s'agit d'un processus très rare, environ 1 000 fois plus rare que la production d'un seul boson de Higgs. Durant toute la deuxième période d'exploitation du Grand collisionneur de hadrons (LHC), seuls quelques milliers d'événements di-Higgs devraient se produire dans ATLAS, contre 40 millions de collisions qui se produisent chaque seconde.

Alors, comment les physiciens peuvent-ils trouver ces rares aiguilles dans la botte de foin de données ? Une façon de faciliter la recherche de la production de di-Higgs est de la rechercher à plusieurs endroits. En examinant les différentes façons dont le di-Higgs peut se désintégrer (modes de désintégration) et en les combinant, les physiciens peuvent maximiser leurs chances de trouver et d'étudier la production de di-Higgs.

Les chercheurs de la collaboration ATLAS viennent de publier la recherche la plus sensible jamais réalisée sur la production et l'auto-couplage du di-Higgs, réalisée en combinant cinq études di-Higgs des données de l'exploitation 2 du LHC. Ce nouveau résultat est leur recherche la plus complète à ce jour, couvrant plus de la moitié de tous les événements di-Higgs possibles dans ATLAS. L'étude est également publiée sur le arXiv serveur de préimpression.

Les cinq études individuelles de cette combinaison se sont chacune concentrées sur différents modes de désintégration, chacun ayant ses avantages et ses inconvénients. Par exemple, le mode de désintégration du di-Higgs le plus probable est celui de quatre quarks bottom. Cependant, les processus QCD du modèle standard sont également susceptibles de créer quatre quarks bottom, ce qui rend difficile la différenciation d'un événement di-Higgs de ce processus de fond.

La désintégration di-Higgs en deux quarks bottom et deux leptons tau présente une contamination de fond modérée mais est cinq fois moins courante et contient des neutrinos qui s'échappent sans être détectés, ce qui complique la capacité des physiciens à reconstruire la désintégration. La désintégration en plusieurs leptons, bien que pas trop rare, a des signatures complexes.

D'autres désintégrations di-Higgs sont encore plus rares, comme la désintégration en deux quarks bottom et deux photons. Cet état final ne représente que 0,3 % du total des désintégrations di-Higgs, mais a une signature plus nette et une contamination de fond beaucoup plus faible.

En combinant les résultats des recherches sur chacune de ces désintégrations, les chercheurs ont pu constater que la probabilité que deux bosons de Higgs soient produits exclut des valeurs plus de 2,9 fois supérieures à la prédiction du modèle standard. Ce résultat est à un niveau de confiance de 95 %, avec une sensibilité attendue de 2,4 (en supposant que ce processus n'est pas présent dans la nature).

Les chercheurs ont également pu fournir des contraintes sur la force de l’auto-couplage du boson de Higgs, obtenant ainsi la meilleure sensibilité à ce jour sur cet observable important. Ils ont constaté que l’ampleur de la constante d’auto-couplage de Higgs et la force d’interaction de deux bosons de Higgs et de deux bosons vectoriels sont cohérentes avec les prédictions du modèle standard.

Ce résultat combiné constitue une étape importante dans l’étude de la production de di-Higgs. Les chercheurs d’ATLAS se tournent désormais vers les données de la troisième exploitation du LHC en cours et de l’exploitation prochaine du LHC à haute luminosité. Grâce à ces données, les physiciens pourraient enfin être en mesure d’observer la production insaisissable de paires de bosons de Higgs.