De nouvelles analyses ATLAS et CMS imposent des limites strictes à la force de l’interaction du boson de Higgs avec le quark charme.
Depuis la découverte du boson de Higgs il y a dix ans, les collaborations ATLAS et CMS au Large Hadron Collider (LHC) ont travaillé dur pour tenter de percer les secrets de cette particule spéciale. En particulier, ils ont étudié en détail comment le boson de Higgs interagit avec des particules fondamentales telles que celles qui composent la matière, c’est-à-dire les quarks et les leptons. Dans le modèle standard de la physique des particules, ces particules de matière se répartissent en trois catégories, ou « générations », de masse croissante, et le boson de Higgs interagit avec elles avec une force proportionnelle à leur masse. Tout écart par rapport à ce comportement fournirait une indication claire de nouveaux phénomènes.
ATLAS et CMS ont précédemment observé les interactions du boson de Higgs avec les quarks et les leptons les plus lourds, c’est-à-dire ceux de la troisième génération, qui concordent avec les prédictions du modèle standard avec la précision de mesure actuelle. Ils ont également obtenu les premières indications que le boson de Higgs interagit avec un muon, un lepton de deuxième génération. Cependant, ils doivent encore l’observer en interaction avec des quarks de deuxième génération. Dans deux publications récentes, ATLAS et CMS rapportent des analyses qui imposent des limites strictes à la force de l’interaction du boson de Higgs avec un quark charmé, un quark de deuxième génération.
Événements candidats pour un boson de Higgs produit en association avec un boson Z, tels qu’enregistrés par ATLAS (à gauche) et CMS (à droite). Le boson de Higgs se désintègre en une paire de jets (cônes) provenant de quarks charmés, et le boson Z se désintègre en muons (lignes rouges à gauche) ou en électrons (lignes vertes à droite). Crédit : CERN
ATLAS et CMS étudient les interactions du boson de Higgs en examinant comment il se transforme, ou « se désintègre », en particules plus légères ou comment il est produit avec d’autres particules. Dans leurs dernières études, utilisant les données de la deuxième période d’exploitation du LHC, les deux équipes ont recherché la désintégration du boson de Higgs en un quark charme et son homologue antimatière, le charme antiquark.
Dans le modèle standard, cette désintégration est relativement rare, ne se produisant que 3 % du temps. De plus, la désintégration est extrêmement difficile à repérer car les deux pulvérisations, ou “jets”, de particules qu’elle génère peuvent également être produites par d’autres processus à des taux beaucoup plus élevés. Pour identifier plus facilement cette désintégration, ATLAS et CMS ont ciblé leurs recherches sur les bosons de Higgs produits avec un boson W ou un boson Z se désintégrant en électrons, muons (W, Z) ou neutrinos (Z), et ils ont utilisé des techniques sophistiquées d’apprentissage automatique pour identifier les jets provenant des quarks charmés. CMS a également recherché des bosons de Higgs à impulsion élevée, ou “boostés”, qui entraînent l’effondrement de deux jets de charme en un jet large.
Les équipes n’ont trouvé aucune indication significative de la désintégration du boson de Higgs en quarks charmés dans les données, mais leurs analyses ont fixé des limites à la vitesse à laquelle cette désintégration devrait se produire lorsque le boson de Higgs est produit avec un boson W et Z. Ces limites correspondent aux limites supérieures de la force d’interaction du boson de Higgs avec un quark charme, de 8,5 et 5,5 fois la prédiction du modèle standard dans le cas d’ATLAS et de CMS, respectivement.
L’équipe d’ATLAS a ensuite combiné son analyse avec une mesure de la désintégration du boson de Higgs en quarks de beauté, démontrant que le boson de Higgs interagit plus faiblement avec le quark charme qu’avec le quark beauté. En d’autres termes, ils ont découvert que le boson de Higgs interagit différemment avec les quarks des deuxième et troisième générations, comme le prédit le modèle standard.
Fait intéressant, l’étude de CMS a permis aux chercheurs de CMS d’observer pour la première fois dans un collisionneur de hadrons la désintégration du boson Z en quarks de charme, une observation bonus résultant d’une étape de validation dans leur recherche de la désintégration du boson de Higgs en charme. quarks.