Depuis sa découverte au Grand collisionneur de hadrons (LHC), il y a 11 ans, le boson de Higgs est devenu un élément-clé pour mieux comprendre la structure fondamentale de l'Univers. Les mesures précises des propriétés de cette particule si particulière comptent parmi les outils les plus puissants dont disposent les physiciens pour mettre à l'épreuve le Modèle standard, la théorie qui décrit actuellement le mieux le monde des particules et leurs interactions. Lors de la conférence Lepton Photon qui s'est tenue cette semaine, la collaboration ATLAS a expliqué comment elle est parvenue à mesurer la masse du boson de Higgs avec une précision encore jamais atteinte.

La masse du boson de Higgs étant un paramètre qui n'est pas prédit par le Modèle standard, elle doit être établie par des mesures expérimentales. Sa valeur détermine la force des interactions entre le boson de Higgs et les autres particules élémentaires, ainsi qu'avec lui-même. Connaître précisément ce paramètre fondamental est essentiel pour pouvoir effectuer des calculs théoriques exacts qui, à leur tour, permettront 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 comptabilisés. La masse du boson de Higgs est également un paramètre crucial pour déterminer l'évolution et donc la stabilité du vide dans l'Univers.

Depuis la découverte du boson de Higgs, les collaborations ATLAS et CMS ont effectué des mesures de plus en plus précises de sa masse. La nouvelle mesure d'ATLAS combine deux résultats : une nouvelle mesure de la masse reposant sur une analyse de la désintégration de la particule en deux photons de haute énergie (le « canal diphoton ») et une mesure de la masse obtenue précédemment, basée sur une étude de la désintégration du boson de Higgs en quatre leptons (le « canal à quatre leptons »).

Cette nouvelle mesure dans le canal diphoton, qui combine les analyses de l'ensemble des données d'ATLAS issues de la première et de la deuxième période d'exploitation du LHC, a permis d'établir la masse du boson de Higgs à 125,22 milliards d'électronvolts (GeV) avec une incertitude de seulement 0,14 GeV. Avec une précision de 0,11 %, ce résultat dans le canal diphoton constitue la mesure la plus précise à ce jour de la masse du boson de Higgs obtenue à partir d'un seul canal.

Par rapport à la précédente mesure réalisée par ATLAS dans ce canal, le nouveau résultat bénéficie à la fois de l'ensemble des données issues de la deuxième période d'exploitation d'ATLAS, qui a réduit l'incertitude statistique d'un facteur deux, et d’importantes améliorations de l'étalonnage des mesures de l'énergie des photons, qui ont réduit l'incertitude systématique d'un facteur de presque quatre (0,09 GeV).

« Les techniques d'étalonnage utilisées dans cette analyse, pointues et rigoureuses, ont été essentielles pour porter la précision à un niveau sans précédent », explique Stefano Manzoni, coordinateur du groupe responsable de l'étalonnage électron-photon d'ATLAS. Il aura fallu plusieurs années pour les mettre au point sur la base d’une connaissance très fine du détecteur ATLAS. Elles seront également très utiles aux futures analyses. »

Lorsque les scientifiques d'ATLAS ont combiné cette nouvelle mesure de la masse dans le canal diphoton avec la mesure obtenue précédemment dans le canal à quatre leptons, ils ont obtenu une masse de 125,11 GeV pour le boson de Higgs, avec une incertitude de 0,11 GeV. Avec une précision de 0,09 %, ce résultat constitue la mesure la plus précise à ce jour de ce paramètre fondamental.

« Cette mesure très précise est le résultat des efforts constants déployés par la collaboration ATLAS pour mieux comprendre nos données, souligne 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 essentiel de la physique des particules. »

En savoir plus sur le site de la collaboration ATLAS.