Un candidat boson de Higgs se décompose en deux photons dans l’expérience ATLAS. Crédit : CERN
Un nouveau résultat de l’expérience ATLAS au CERN atteint la précision sans précédent de 0,09%.
La collaboration ATLAS a réalisé la mesure la plus précise à ce jour de la masse du boson de Higgs, avec une valeur de 125,11 milliards d’électronvolts et une incertitude minimale. Les résultats proviennent d’une combinaison de mesures effectuées dans les canaux diphotonique et quadrileptonique. Ces résultats sont essentiels pour comprendre la structure fondamentale de l’Univers et ont été attribués à des techniques d’étalonnage avancées et à de puissants algorithmes de reconstruction.
Au cours des 11 années qui ont suivi sa découverte au Grand collisionneur de hadrons (LHC), le boson de Higgs est devenu un élément central de la compréhension de la structure fondamentale de l’Univers. Les mesures précises des propriétés de cette particule particulière comptent parmi les outils les plus puissants dont disposent les physiciens pour tester le modèle standard, qui est actuellement la théorie décrivant le mieux le monde des particules et de leurs interactions. Lors de la conférence sur le photon de Lepton qui s’est tenue la semaine dernière, la collaboration ATLAS a expliqué comment elle avait mesuré la masse du boson de Higgs avec une précision inégalée.
La masse du boson de Higgs n’est pas prédite par le modèle standard et doit donc être déterminée par des mesures expérimentales. Sa valeur régit les forces des interactions du boson de Higgs avec les autres particules élémentaires ainsi qu’avec lui-même. Une connaissance précise de ce paramètre fondamental est la clé de calculs théoriques exacts qui, à leur tour, permettent aux physiciens de confronter leurs mesures des propriétés du boson de Higgs aux prédictions du modèle standard. Des écarts par rapport à ces prédictions signaleraient la présence de phénomènes nouveaux ou non pris en compte. La masse du boson de Higgs est également un paramètre crucial pour l’évolution et la stabilité du vide de l’Univers.
Les collaborations ATLAS et CMS ont effectué des mesures de plus en plus précises de la masse du boson de Higgs depuis la découverte de la particule. La nouvelle mesure ATLAS combine deux résultats : une nouvelle mesure de la masse du boson de Higgs basée sur une analyse de la désintégration de la particule en deux photons de haute énergie (le « canal diphotonique ») et une mesure antérieure de la masse basée sur une étude de sa désintégration en quatre leptons (le « canal quadrileptonique »).
La nouvelle mesure dans le canal des diphotons, qui combine les analyses de l’ensemble des données ATLAS des séries 1 et 2 du LHC, a permis d’obtenir une masse de 125,22 milliards d’électronvolts (GeV) avec une incertitude de seulement 0,14 GeV. Avec une précision de 0,11 %, ce résultat obtenu dans le canal des diphotons est la mesure la plus précise à ce jour de la masse du boson de Higgs obtenue à partir d’un seul canal de désintégration.
Par rapport à la précédente mesure ATLAS dans ce canal, le nouveau résultat bénéficie à la fois de l’ensemble des données du Run 2 d’ATLAS, qui a réduit l’incertitude statistique d’un facteur deux, et des améliorations spectaculaires apportées à l’étalonnage des mesures de l’énergie des photons, qui ont réduit l’incertitude systématique de près d’un facteur quatre à 0,09 GeV.
« Les techniques d’étalonnage avancées et rigoureuses utilisées dans cette analyse ont été essentielles pour porter la précision à un niveau sans précédent », explique Stefano Manzoni, responsable du sous-groupe d’étalonnage électron-photon de l’ATLAS. « Leur développement a pris plusieurs années et a nécessité une connaissance approfondie du détecteur ATLAS. Ils seront également très utiles pour les analyses futures.
Lorsque les chercheurs d’ATLAS ont combiné cette nouvelle mesure de la masse dans le canal des diphotons avec la précédente mesure de la masse dans le canal des quatre leptons, ils ont obtenu une masse du boson de Higgs de 125,11 GeV avec une incertitude de 0,11 GeV. Avec une précision de 0,09 %, il s’agit de la mesure la plus précise à ce jour de ce paramètre fondamental.
« Cette mesure très précise est le résultat de l’investissement continu de la collaboration ATLAS dans l’amélioration de la compréhension de nos données », déclare Andreas Hoecker, porte-parole d’ATLAS. « Des algorithmes de reconstruction puissants associés à des étalonnages précis sont les ingrédients déterminants des mesures de précision. La nouvelle mesure de la masse du boson de Higgs vient s’ajouter à la cartographie de plus en plus détaillée de ce nouveau secteur critique de la physique des particules. »