Une collision enregistrée dans le cadre de l’expérience CMS en 2018. Cette collision est compatible avec la production de deux particules de Higgs, dont un boson de Higgs se décomposant en deux jets de quark bottom (rouge) et l’autre boson de Higgs se décomposant en deux photons (vert). Cette collision est un exemple typique du mode de fusion de boson vecteur de la production de Higgs, qui crée des jets supplémentaires le long du faisceau du LHC (cônes jaune foncé).

L’étude de la production de deux bosons de Higgs est la façon la plus évidente de comprendre le champ responsable du boson de Higgs. Un nouveau résultat de la collaboration CMS se rapproche plus que jamais de la mesure de ce champ et de sa prédiction de la physique.

La découverte du boson de Higgs en 2012 par les expériences ATLAS et CMS fut à la fois le summum des résultats obtenus du LHC au CERN et le point de départ de nouvelles découvertes. Pour cela,  une large communauté de physiciens procède à une analyse minutieuse des données collectées par le détecteur CMS. Ainsi, à l’heure actuelle, des mesures raisonnablement précises du couplage entre le bosons de Higgs et les bosons W et Z, les quarks top et bottom, ou les leptons tau et mu indiquent que le mécanisme de Higgs est très similaire à celui proposé par Brout, Englert, et Higgs il y a environ 50 ans. Cependant la forme du potentiel BEH est en fait un postulat qui n’ a jamais été vérifié expérimentalement de manière directe., cependant elle a un impact considérable sur la compréhension des propriétés de l’Univers primordial et de son évolution future. Utilisant les données collectées entre 2016 et 2018, la collaboration CMS a dérivé la contrainte la plus stricte à ce jour sur la valeur du paramètre principal qui décrit le potentiel BEH noté λ. Ce paramètre se manifeste en tant que la force de l’autocouplage du boson de Higgs et peut être mesuré via la production de paires de bosons H.

Les collisions examinées pour la production du deux bosons de Higgs (HH) sont les événements comportant au moins une paire de photons et une paire de jets hadroniques initiés par des quarks b. Un boson de Higgs peut créer l’une de ces signatures, de sorte que la recherche des deux simultanément est un bon moyen de rechercher deux désintégrations indépendantes de deux bosons de Higgs. Un exemple des améliorations apportées à la recherche a été de séparer les différents modes de production des paires de bosons de Higgs, et notamment de rechercher une de ces rares collisions où le LHC agit comme un collisionneur de bosons. La prise en compte de ce type de production de HH a amélioré la sensibilité globale de l’analyse et donne des informations supplémentaires dans le couplage entre deux bosons de Higgs et les bosons W (ou Z).

Ces résultats ont été obtenus par l’utilisation de stratégies innovantes telle que l’application de plusieurs algorithmes de machine learning pour identifier les photons, les jets de quark b et la sélection du signal utilisé pour éliminer le bruit de fond dominant des autres particules produites au LHC (bruit de fond lorsqu’un seul boson de Higgs est créé). Le groupe CMS de l’IP2I a joué un rôle important dans l’élaboration de ces innovations.

Bien qu’une incertitude statistique importante dans la conclusion dérivée des données existe, due à l’extrême faiblesse du processus de production de HH, ces résultats sont extrêmement encourageants pour consolider la nature du boson de Higgs. Ainsi, l’observation et l’étude de la production de di-Higgs et du champ de Higgs font partie des principaux sujets à étudier au HL-LHC, qui débutera en 2027 et se poursuivra jusqu’au milieu des années 2030.

En lire plus sur arXiv, le site de l’expérience CMS et l’article de CERN Courier (p.8).
Contact : Maxime Gouzevitch