La collaboration CMS du LHC au Cern à laquelle participe activement le CEA-Irfu révèle les propriétés du boson de Higgs avec une précision inégalée, à travers un mode de désintégration particulier ("en deux photons"). Ces résultats renforcent le triomphe du modèle standard de la physique des particules.
Après la découverte du boson de Higgs au LHC (Large Hadron Collider) en 2012, l'absence d'observation d'une particule nouvelle qui aurait pu témoigner d'une physique "au-delà du modèle standard" a conduit à un changement de paradigme. Les physiciens ciblent dorénavant les mesures de précision des propriétés du boson de Higgs, en espérant y déceler des incohérences avec leur modèle.
Comme le boson de Higgs se désintègre instantanément dans le détecteur suivant des voies (ou canaux) variées, il est observé grâce à ses produits de désintégration. Malgré sa rareté (0,3 %), la désintégration en deux photons fait figure de "canal" en or. Elle est en effet favorisée par l'excellente résolution de la mesure de l'énergie des photons et elle donne accès à tous les modes de production du boson de Higgs, car les bruits de fond y sont modérés.
Les mesures de la production du boson de Higgs suivant les différents modes de production du boson de Higgs (signés par les autres particules présentes dans l'événement), ainsi que suivant les propriétés des événements, comme l'impulsion transverse du boson de Higgs, permettent de dessiner une image détaillée de la particule. Pour construire cette image, théoriciens et expérimentateurs ont défini des "cases" dans lesquelles effectuer les mesures, dont certaines sont particulièrement sensibles à la nouvelle physique.
Parmi les données recueillies entre 2016 et 2018 par l'expérience CMS du LHC, les physiciens ont sélectionné les événements "avec deux photons" et les ont classés suivant leur mécanisme de production. En utilisant intensivement des algorithmes d'apprentissage automatique, ils ont pu rejeter des bruits de fond et avoir dans chaque case une "pureté" optimale. Pour la première fois, les événements où le boson de Higgs est produit avec un unique quark top (tH) sont séparés de ceux où il est produit avec une paire de quarks top (ttH). Ces événements ttH sont eux-mêmes mesurés pour la première fois en fonction de l'impulsion transverse du boson de Higgs.
Les résultats obtenus sont tous en accord avec les prédictions du modèle standard, compte tenu des incertitudes expérimentales. À noter que cette étude fournit les tous premiers résultats concernant la production tH, mode rare de production jusqu'alors inaccessible.
Pour la prochaine campagne expérimentale du LHC à partir de 2022, puis au High-Luminosity LHC après 2027, le volume de données va augmenter fortement (d'un facteur 20). De plus, les combinaisons des mesures dans différents canaux de désintégration du boson de Higgs et dans les différentes expériences du LHC permettront de tester avec une précision encore accrue le modèle standard.
L'Irfu a contribué de manière importante à la conception, la construction et l'exploitation du calorimètre électromagnétique de CMS qui permet de réaliser des mesures de l'énergie des photons extrêmement précises - mesures cruciales pour étudier la désintégration du boson de Higgs en deux photons, un des deux canaux de découverte du boson de Higgs, canaux qui sont aujourd'hui ceux où la précision des mesures est la plus grande.