Higgs (ATLAS/FCC)

Particules du modèle standard de la physique des particules (Image: Daniel Dominguez/CERN)


Le boson de Higgs (H) joue un rôle de premier plan dans le modèle standard (SM) de la physique des particules : le champ de Higgs associé, qui imprègne l'Univers, est responsable de la rupture spontanée de la symétrie électrofaible et de l'origine des masses des particules élémentaires. Son rôle dans la théorie et ses propriétés atypiques (notamment son spin 0) en font un sujet d'étude fondamental, qui pourrait également avoir des implications cosmologiques potentielles.

Depuis mars 2021 une équipe "Higgs", travaillant sur la mesure des propriétés du boson de Higgs avec les données de l'expérience ATLAS (A Toroidal Large ApparatuS) au Large Hadron Collider (LHC) du CERN et sur la préparation du projet Futur Circular Collider (FCC) a rejoint le groupe Particules d'APC.

 

ATLAS

L'expérience ATLAS (Figure 1) est un détecteur polyvalent de 46 m de long, 25 m de haut, pesant 7 000 tonnes, situé à environ 100 m sous terre autour de l'un des points de collision des faisceaux contrarotatifs du LHC. Il se compose de six sous-systèmes de détection différents disposés concentriquement, pour enregistrer les impulsions et les directions des particules produites lors des collisions. Les quantités mesurées sont utilisées pour étudier un large éventail de processus physiques, tels que les interactions fortes, la production électrofaible de bosons W et Z, les propriétés du quark top et du boson de Higgs, et pour rechercher des phénomènes hypothétiques au-delà du modèle standard, tels que des dimensions supplémentaires ou les particules de matière noire.

Figure 1. The ATLAS detector

Après les deux premières phases d'acquisition de données (Run 1 : 2010-2012, Run 2 : 2015-2018), le LHC entre maintenant dans sa troisième période d'acquisition de données (Run 3 : 2022-2025), qui sera suivie d'une arrêt de 2 ans pour la mise à niveau des détecteurs et du collisionneur, qui conduira à la phase dite de haute luminosité du LHC (HL-LHC : 2028-2040).


Contributions scientifiques

Depuis le début de la prise de données au LHC, notre équipe s'est concentrée sur la physique du boson de Higgs. Il a contribué à sa découverte au LHC Run 1 en utilisant ses désintégrations en deux photons [1], et à la démonstration de ses couplages Yukawa aux fermions du SM par l'observation de ses désintégrations en paires de quarks bottom avec les données du Run 2 [ 2]. Nous avons également mesuré la masse du boson de Higgs avec les désintégrations en 2 photons et recherché les désintégrations rares du boson de Higgs en un boson Z et un photon.

Récemment, notre équipe a travaillé sur les analyses suivantes de l'ensemble complet des collisions proton-proton (pp) collectées par ATLAS pendant le Run 2 du LHC :

  • La mesure des sections efficaces de production du boson de Higgs à l'aide des désintégrations H→bb [3] et H→γγ [4]. La désintégration H→bb a un rapport de branchement important (58 %) mais souffre d'un bruit de fond important dû à la production forte d'hadrons, tandis que la désintégration H→γγ a un faible rapport de branchement (0,22 %) mais des bruits de fond beaucoup plus faibles. Les sections efficaces sont mesurées en fonction de plusieurs grandeurs cinématiques qui permettent de sonder différents mécanismes de production du Higgs et de rechercher des écarts par rapport aux prédictions du SM. Toutes les mesures sont en accord avec les prédictions du modèle standard et des contraintes sont placées sur les couplages Yukawa du boson de Higgs aux quarks bottom et charm et sur les couplages anormaux du boson de Higgs aux bosons vecteurs dans le cadre d'une théorie des champs effectifs du modèle standard.
  • La recherche la plus sensible de la désintégration rare (encore non observée) du boson de Higgs en [5]. Aucun excès significatif par rapport au bruit de fond attendu n'a été trouvé dans les données, et une limite supérieure à un niveau de confiance de 95% sur la section efficace de production multipliée par le rapport de branchement pour pp → H → Zγ a été fixée à 3,6 fois la prédiction SM, tandis que 2,6 fois était attendu en présence du boson de Higgs du modèle standard. La valeur la mieux adaptée pour le rendement du signal normalisée par rapport à la prédiction du modèle standard était de 2,0 ± 1,0 ; un excès similaire a été trouvé par CMS, ce qui pourrait suggérer un écart possible par rapport à l'attente SM qui sera étudié plus en détail avec plus de données dans le Run 3.
  • La recherche de la production de paires de bosons de Higgs (HH). Ce processus est la porte d'entrée pour mesurer le paramètre d'autocouplage du boson de Higgs λ et donc le potentiel du boson de Higgs. Nous nous sommes concentrés sur la recherche de la production de paires de bosons de Higgs dans l'état final bbγγ [6], l'un des deux plus sensibles, qui combine le grand rapport de branchement en bb pour un boson de Higgs avec le bon rapport signal/fond de la désintégration γγ pour l'autre. L'analyse des données complètes d'ATLAS recueillis au Run 2 du LHC n'a trouvé aucun excès par rapport au bruit de fond, et a fixé une limite supérieure, avec un niveau de confiance (CL) de 95%, de 130 fb sur la section efficace de production du processus pp → HH, correspondant à 4,1 fois la prédiction SM. Le résultat implique la contrainte suivante sur le modificateur d'autocouplage du boson de Higgs κλ = λ/λSM : -1,5 < κλ < 6,7 à un CL de 95 %.


Contributions techniques

La qualité des résultats de l'expérience ATLAS nécessite un bon fonctionnement du détecteur ainsi qu'une compréhension fine des objets utilisés dans les analyses. Récemment, notre équipe s'est concentrée sur :
  • L'amélioration des performances d'identification des photons prompts et de rejection de candidats photons provenant soit de la désintégration d'un méson neutre dans une gerbe hadronique, soit de la gerbe électromagnétique initiée par un électron, pour le Run 3 du LHC.
  • La caractérisation des performances de reconstruction et de marquage des jets de particules résultant de l'hadronisation d'un quark b, avec deux mesures in situ de (i) l'étalonnage de l'échelle d'énergie des jets de quark b à l'aide d'événements ttbar suivis d'une désintégration t → Wb →qqb et la masse connue du quark top [7], et (ii) l'efficacité d'identification d'un jet de quark b, en utilisant un ajustement à la distribution d'impulsion d'un muon dans un jet par rapport à l'axe du système jet + muon.
  • La mesure des dommages causés par les rayonnements aux capteurs de pixels du tracker ATLAS [8], [9] et sa mise en œuvre dans la simulation du détecteur ATLAS. Avec l'augmentation de la luminosité, les effets des dommages causés par les rayonnements ne sont pas négligeables et il sera important d'en tenir compte dans les simulations des futures phases de prise de données du LHC.
  • La construction et le développement logiciel du futur détecteur de vertex au silicium ("ITk") de l'expérience ATLAS pour le HL-LHC. Nous travaillons sur le développement du code de numérisation des capteurs de pixels ITk, et sur la construction du détecteur à pixels d'ITk, ayant contribué au processus d'étude de marché des différents fournisseurs de capteurs et à la préparation de la prochaine phase de pré-production et de test des modules.

 

FCC

Le futur collisionneur circulaire est une proposition de projet intégré de collisionneur de nouvelle génération d'environ 90 km de long proposé pour prendre le relais du LHC (Figure 2).
Il devrait débuter vers 2040 par une première phase électron-positon (FCC-ee) d'environ 8 ans, pour étudier en détail les propriétés des bosons électrofaibles (W, Z), du boson de Higgs et du quark top, à des énergies du centre-de-masse de 91 GeV, 160 GeV, 240 GeV et 350-365 GeV, suivies d'un arrêt pour les mises à niveau du collisionneur et des détecteurs, puis d'une deuxième phase de prise de données (FCC-hh) dans laquelle des faisceaux de protons fourniraient des collisions aux énergies du centre de masse de 100 TeV ou plus.

Figure 2. Illustration de l'emplacement potentiel du futur collisionneur circulaire au CERN, près de Genève. Sont également représentés les anneaux PS, SPS et LHC du CERN, qui feraient partie de la chaîne d'injection et d'accélération du FCC.


Contributions scientifiques

Notre équipe contribue au développement du cas physique de la phase électron-positon du futur collisionneur circulaire. Le FCC-ee offre des opportunités sans précédent pour déterminer les paramètres du boson de Higgs, avec plus de 10 millions d'événements e+e- → ZH et près de 100 000 événements WW → H produits aux énergies du centre de masse autour de 240 et 365 GeV et avec un bruit de fond beaucoup plus faible qu'au LHC, et sans effets d'empilement. Un autre avantage par rapport au LHC est lié à la connaissance complète de la cinématique des particules e+e- en collision, ce qui permet d'identifier les événements ZH avec la technique de la "masse de recul", en reconstituant les produits des désintégrations du boson Z et donc - grâce à la conservation de l'énergie et de la quantité de mouvement totale - la masse du système reculant contre le boson Z.

Au printemps 2021, nous avons réalisé les premières études de la précision que FCC-ee pouvait attendre sur la section efficace du processus ZH et sur la masse du boson de Higgs [10] et sur ses couplages hadroniques (aux quarks b et c et aux gluons), en utilisant des événements de signal et de bruit de fond générés et interfacés à une simulation paramétrique de la réponse du détecteur. Ces études initiales seront mises à jour en fonction des différentes technologies et projets proposés pour les détecteurs FCC-ee, en optimisant les critères de sélection et les stratégies d'ajustement pour améliorer encore la sensibilité de l'analyse, en vue d'un "Conceptual Design Report" d'ici 2025 pour la mise à jour de la stratégie européenne pour la physique des particules, ce qui marquera l'achèvement de l'étude de faisabilité FCC-ee et permettra au Conseil du CERN de décider si le projet peut continuer avec le début du creusement du tunnel de FCC.

 

Membres de l'équipe

  • Gregorio BERNARDI (DR, chef d'équipe adjoint, responsable des activités FCC)
  • Marco BOMBEN (MdC)
  • Romain BOUQUET (PhD 2019-2023)
  • Giulia DI GREGORIO (Postdoc 2022-2024)
  • Ang LI (PhD 2020-2023)
  • Giovanni MARCHIORI (CR, chef d'équipe, responsable des activités ATLAS)
  • Keerthi NAKKALIL (PhD 2020-2023)
  • Qiuping SHEN (PhD 2020-2024)
  • Yulei ZHANG (PhD 2019-2023)
Cliquer ici pour le trombinoscope de l'équipe


Liens utiles

ATLAS

FCC


Bibliographie

[1] ATLAS Collaboration, “Observation of a new particle in the search for the Standard Model Higgs boson with the ATLAS detector at the LHC,” Phys. Lett. B716, 1–29 (2012), arXiv:1207.7214
[2] ATLAS Collaboration, "Observation of H->bb decays and VH production with the ATLAS detector", Phys. Lett. B 786 (2018) 59, arXiv:1808.08238
[3] ATLAS Collaboration, “Measurements of WH and ZH production in the H→bb decay channel in pp collisions at 13 TeV with the ATLAS detector,” Eur. Phys. J. C 81, 178 (2021), arXiv:2007.02873
[4] ATLAS Collaboration, "Measurements of the Higgs boson inclusive and differential fiducial cross-sections in the diphoton decay channel with pp collisions at √s=13 TeV with the ATLAS detector", arXiv:2202.00487
[5] ATLAS Collaboration, "A search for the Zγ decay mode of the Higgs boson in pp collisions at √s = 13 TeV with the ATLAS detector", Phys. Lett. B 809 (2020) 135754 arXiv:2005.05382
[6] ATLAS Collaboration, "Search for Higgs boson pair production in the final state with two bottom quarks and two photons in pp collisions at √s=13 TeV with the ATLAS detector", arXiv:2112.11876
[7] ATLAS Collaboration, "Energy scale calibration of b-tagged jets with ATLAS Run 2 data using ttbar lepton+jets events", ATLAS-CONF-2022-004
[8] Dawson, I.(Ed),Radiation effects in the LHC experiments: Impact on detector performance and operation, CERN-2021-001
[9] ATLAS Collaboration, "Measurements of sensor radiation damage in the ATLAS inner detector using leakage currents", JINST 16 (2021) P0802, arXiv:2106.09287
[10] P. Azzurri et al, "A special Higgs challenge: Measuring the mass and production cross section with ultimate precision at FCC-ee", https://arxiv.org/abs/2106.15438, to be published in EPJ+ special issue: A future Higgs and Electroweak factory (FCC): Challenges towards discovery, Focus on FCC-ee


Pour plus de détails

Rapport d'activité 2017-2021: https://apc.u-paris.fr/APC_CS/en/activity-report 
Liste de publications, de stages et theses dirigées et post-docs encadrés sur ATLAS et FCC: https://apc.u-paris.fr/APC_CS/sites/default/files/u666/apc_higgs_team_scientific_production.pdf