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Nouveaux résultats d’ATLAS à EPS 2017 sur les propriétés du boson de Higgs

par Sophie Trincaz - 20 juillet 2017

L’édition 2017 de la conférence internationale sur la physique des hautes énergies EPS-HEP a eu lieu à Venise du 5 au 12 juillet. Lors de cette conférence, l’expérience ATLAS a présenté ses derniers résultats, principalement basés sur les 36 fb-1 des données enregistrées en 2015 et 2016 dans des collisions entre protons à une énergie de 13 TeV. Plusieurs résultats importants (voir site d’ATLAS et la présentation du coordinateur de physique d’ATLAS à Venise) ont vu une contribution majeure du groupe du LPNHE, en terme soit de coordination ou optimisation de l’analyse et des études de performance des particules utilisés pour l’analyse (électrons/photons, b-jets), soit d’extraction statistique des résultats, soit de leur documentation dans des articles ou notes publiques. Ils sont décrits ci-dessous.

Première évidence au LHC des désintégrations du boson de Higgs (H) en bbbar

Avec un rapport d’embranchement de 58%, le processus H->bbbar constitue le mode de désintégration le plus probable du boson de Higgs, mais souffre d’un niveau de bruit de fond important au LHC. La principale méthode pour améliorer le rapport signal sur bruit est de se limiter à la recherche
de bosons de Higgs produits en association avec un boson V (V=W,Z) se désintégrant en leptons (Z->nunu, W->lnu, Z->ll) et recherchant donc des évènements avec 2 jets de quarks b et des leptons chargés et/ou de l’énergie transverse manquante (due au neutrinos). En combinaison avec les données du Run 1, ATLAS observe un signal de type VH, H->bbbar (Figure 1) avec une signification de 3.5 écart-type, ce qui constitue la première évidence au LHC des désintégrations du boson de Higgs en bbbar et un signal plus fort qu’observé au Tevatron en 2012. La section efficace mesurée est en bon accord avec le Modèle Standard (sigma*BR/sigma SM*BRSM = 0.90+0.28-0.26), et confirme avec la même signification l’évidence de production associée VH fourni par la combinaison des tous les mesures d’ATLAS et CMS faites au Run 1. Il s’agit donc de la première évidence directe de couplage du boson de Higgs aux quarks. Ce résultat est confirmé par l’observation à plus de 5 sigma de la désintégration VZ, Z en bbbar (cf Fig.1).

Figure 1. Distribution de la masse invariante des candidats H->bbbar dans les données (points noirs) après soustraction des tous les processus de bruit de fond sauf la production diboson VZ, Z → bb (représenté par l’histogramme gris), bien comprise et utilisés pour valider les résultats. L’excès dans les données est bien compatible avec un signal H → bb (zone rouge remplie)avec une section efficace compatible, dans les incertitudes, avec le Modèle Standard.

Mesure des sections efficaces de production du boson de Higgs a 13 TeV et des ses couplages avec les désintégrations en deux photons

Après la découverte du boson de Higgs en 2012, le but du Run 2 du LHC est de mesurer avec plus de précision ses propriétés en exploitant l’augmentation de statistique (actuellement d’un facteur 4) par rapport au Run 1.
En utilisant les données du Run 2 ATLAS a observé un signal dans le mode de désintégration en deux photons, avec environ 1500 candidats Higgs sélectionnés, dont la section efficace de production et les différentes propriétés (section efficaces différentielles en fonction de plusieurs variables cinématiques, couplages aux autres particules) sont en bon accord avec le Modèle Standard (Figure 2), avec des incertitudes réduites d’un facteur deux par rapport aux mêmes mesures du Run 1.

Figure 2. Impulsion transverse du boson de Higgs mesuré dans les désintégrations H->gamma gamma, et comparé aux prévisions du Modèle Standard.

Nouvelle mesure de la masse du boson de Higgs

Une comparaison précise entre les propriétés observés du boson de Higgs et celles prédites par la théorie dépende aussi de la masse du boson H, qui détermine ses autres propriétés comme les sections efficaces de différents modes de production et les rapport d’embranchement dans les différents canaux. La collaboration d’ATLAS a présenté une nouvelle mesure préliminaire de la masse du boson de Higgs en utilisant les données du Run 2. En combinant les résultats des deux canaux avec une excellent résolution en masse invariante (gamma gamma et ZZ*->4 leptons) et en exploitant les derniers estimations de l’incertitude sur la calibration en énergie des electrons, photons et muons, ATLAS mesure une masse de 124.98+-0.28 GeV, en excellent accord avec la mesure combiné ATLAS+CMS du Run 1 (125.09 GeV) et une incertitude seulement 40 MeV plus grande (Figure 3).

Figure 3. Mesures de la masse du boson de Higgs à partir des analyses individuelles (gamma gamma et ZZ*->4 leptons) et combinées, par rapport à la mesure combinée ATLAS +CMS du Run 1. Les incertitudes systématiques (bandes magenta), statistiques (bandes jaunes) et total (barres d’erreur noir) sont indiquées. La ligne verticale (rouge) et la bande verticale grise indiquent respectivement la valeur centrale et l’incertitude totale de la mesure combinée.

A la recherche de nouvelle physique

Le boson de Higgs peut être utilisé aussi comme sonde pour explorer la nouvelle physique au delà du Modèle Standard, par exemple pour la recherche de matière noire avec des événements ou un boson de Higgs est produit en association avec des particules de matière noire qui n’interagissent pas avec le détecteur. ATLAS vient de soumettre deux papiers a ce sujet, en utilisant tous les données du Run 2 et les états finaux bb+energie manquante ou gg+énergie manquante. Une troisième publication qui vient d’apparaître sur arXiv et dont les tous derniers résultats ont été montres a EPS concerne la mise a jour, avec toute la statistique du Run 2, de la recherche de résonances gamma gamma de haute masse dues a des nouvelles particules qui pourraient se désintégrer, comme le boson de Higgs, en deux photons. Par rapport aux résultats précédents, l’analyse a été mis a jour sur un lot des données 3 fois plus grand et a été élargie a différents hypothèses de spin et mode de production de ces nouvelles particules. Tous les résultats sont compatibles avec les prédictions du Modèle Standard, mais ATLAS est déjà en train de recueillir de nouvelles données, avec l’objectif de plus que les doubler avant fin 2017, ce qui permettra d’améliorer la sensitivité de ces recherches qui sont actuellement limitées par les incertitudes statistiques.

Pour en savoir plus :
Page du groupe ATLAS au LPNHE : http://lpnhe.in2p3.fr/spip.php?rubrique7
Site de la conference EPS-HEP : http://eps-hep2017.eu
H->bbbar :
https://atlas.cern/updates/physics-briefing/first-lhc-sighting-higgs-boson-its-favourite-decay
Couplages du boson de Higgs avec deux photons :
http://atlas.cern/updates/physics-briefing/closer-look-higgs-boson-couplings
Nouvelle mesure de la masse du boson de Higgs :
http://atlas.cern/updates/physics-briefing/new-atlas-measurement-higgs-boson-mass

Contact au laboratoire : Giovanni Marchiori

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