Les physiciens de la collaboration ATLAS au Grand collisionneur de hadrons (LHC) du CERN ont découvert des preuves de la désintégration du boson de Higgs en un photon « virtuel » et un photon réel, qui à leur tour produisent une paire de leptons. Cette voie, connue sous le nom de H → γ * γ → llγ, se produit dans une seule désintégration de Higgs sur 10 000 environ, ce qui en fait l’un des comportements les plus insaisissables de la particule.
« Chaque mode de désintégration du boson de Higgs offre une fenêtre différente sur les lois fondamentales de la nature », ont déclaré les physiciens d’ATLAS dans un communiqué.
« Les désintégrations rares sont particulièrement intéressantes car elles offrent des opportunités uniques de tester le modèle standard dans des régimes où les effets subtils de la nouvelle physique pourraient devenir visibles. »
« Des études récentes sur des désintégrations aussi rares du boson de Higgs – y compris les désintégrations d’un photon, d’un boson Z et d’une paire de muons – ont commencé à libérer ce potentiel, et il reste encore beaucoup à explorer. »
« Une désintégration particulièrement insaisissable est la désintégration du boson de Higgs en un photon virtuel et un photon. »
Contrairement à un photon ordinaire, stable et sans masse, le photon virtuel impliqué dans ce processus n’existe que de manière éphémère, a une masse non nulle et se désintègre instantanément.
Étant donné que la désintégration passe par une paire de leptons plutôt que par un deuxième photon, elle offre une lentille pour examiner les propriétés subtiles du boson de Higgs, y compris des tests de symétrie dite CP.
Pour rassembler suffisamment de données sur cet événement rare, les chercheurs d’ATLAS ont regroupé les résultats de deux exécutions distinctes du Large Hadron Collider : trois années de collisions Run-3 de 2022 à 2024 et l’ensemble complet de données Run-2 rassemblées entre 2015 et 2018.
Ils ont recherché des événements de collision contenant un photon associé à deux leptons de faible masse émis si près l’un de l’autre qu’ils se chevauchent presque, ce qui est particulièrement difficile lorsque les leptons sont des électrons plutôt que des muons.
Même si l’expérience ATLAS permet d’identifier facilement les muons proches, l’identification de deux électrons proches est extrêmement difficile.
Pour résoudre le problème, les scientifiques ont construit un outil d’apprentissage automatique basé sur un arbre de décision amélioré pour repérer ces électrons dits fusionnés, ainsi que des systèmes spécialisés d’étalonnage et de détection.
La combinaison des deux ensembles de données a pratiquement doublé la quantité d’informations disponibles pour l’analyse, et le signal résultant – une petite augmentation des données proche de la masse connue du boson de Higgs de 125 GeV – correspondait étroitement aux prévisions théoriques.
La signification statistique de la découverte a atteint 3,4 écarts-types, suffisamment pour être considéré comme une preuve, bien qu’en deçà du seuil traditionnel de cinq sigma requis par les physiciens pour revendiquer une découverte.
« Ce résultat démontre les capacités remarquables de l’expérience ATLAS et la puissance des techniques d’analyse innovantes, qui permettent aux physiciens d’explorer certaines des désintégrations les plus rares du boson de Higgs », ont déclaré les physiciens.
« À l’approche de l’ère du LHC à haute luminosité, les chercheurs seront en mesure d’explorer ces processus insaisissables avec une précision sans précédent, offrant ainsi de nouvelles opportunités pour tester le modèle standard et rechercher des signes d’une nouvelle physique. »
Les résultats seront publiés dans le Journal of High Energy Physics.
