Première mesure de précision de la largeur du Higgs

La largeur de désintégration du boson de Higgs a été mesurée avec précision par la collaboration CMS avec les données du Run 2 du LHC. Cette largeur intrinsèque à l’échelle du MeV était réputée inaccessible au LHC avant qu’il ne soit remarqué que la combinaison des productions sur- et hors-couche de masse dans le canal ZZ pouvait être exploitée. La désintégration ZZ→4l joue un rôle majeur dans cette mesure. C’est un canal emblématique de l’équipe du LLR qui a réalisé la première mesure de la largeur du boson de Higgs au Run 1 en utilisant cette méthode.

Le boson de Higgs (H) possède un grand nombre de canaux de désintégrations et son existence est très éphémère. Son temps de vie moyen, trop court pour être observable, se traduit par une indétermination de sa masse, une largeur intrinsèque (ou simplement ‘largeur’) reliée à l’ensemble de ses modes de désintégrations, visibles ou invisibles. Pour une masse donnée du boson H, la largeur est une propriété fondamentale prédite par le modèle standard (SM). La mesure de la largeur permet de contraindre les couplages du boson H à de nouvelles particules, telles que les particules massives et neutres de matière noire qui apparaissent dans des modèles au-delà du SM.

La prédiction du SM pour la largeur totale (Γ_H) du boson de Higgs à 125 GeV est de Γ_H = 4.1 MeV. Cette valeur est de 3 ordres de grandeurs inférieure à la largeur apparente de la résonance observée dans les canaux de haute résolution en énergie (ZZ et γγ). Elle semblait donc hors de portée avant que ne surgisse une idée nouvelle, proposée en 2013 et rapidement mise en œuvre au LLR , basée sur la production du boson de Higgs hors de sa couche de masse. Dans la désintégration d’une particule, la distribution des valeurs de masse suit usuellement une distribution de Breit-Wigner relativiste. La particule peut avoir une masse éloignée de la valeur au pic, on parle alors de production hors couche de masse (off-shell). Cette production est en général faible, mais, dans le cas particulier du boson de Higgs, la présence non loin de la masse du H du seuil de production de deux bosons faibles pp→VV(V=W,Z) conduit à une augmentation importante de la production off-shell du boson de Higgs, qui contribue au final à environ 10% de la production totale. La figure 1 montre la section efficace attendue en fonction de la masse pour la production du boson de Higgs suivie de sa désintégration en deux bosons Z avec un Z se désintégrant en 2 leptons chargés et l’autre en 2 neutrinos, pp→H→ZZ→2l2ν (ligne noire). La contribution venant des diagrammes n’impliquant pas le boson de Higgs, pp→ZZ→2l2ν est également montrée (ligne dorée), ainsi que la somme incluant le terme d’interférence (ligne violette).

Figure 1 : Section efficace attendue en fonction de la masse pour la production du boson de Higgs avec H→ZZ→2l2ν. Les productions du H et du continuum ZZ sont representés en noir et doré respectivement. La somme des contributions avec et sans interférence en violet et vert pointillé.

Dans la production du Higgs à 125 GeV et sa désintégration en 2 bosons faibles, le boson de Higgs est sur sa couche de masse et un des deux bosons faibles est hors couche de masse, pp→H→VV*, l’énergie disponible ne permettant pas de produire deux bosons faibles sur leur couche de masse. Au contraire, dans le cas de la production hors couche de masse le boson de Higgs, produit à une masse m_H > 2m_V, se désintègre en deux bosons V sur leur couche de masse, donc pp→H*→VV. La faible production du Higgs hors couche de masse pp→H* est alors compensée par une désintégration résonante H*→VV lorsque m_H > 2m_V. Le taux de production hors couche de masse relatif au taux de production sur la couche de masse est directement relié à la largeur du boson de Higgs, et permet alors une mesure de celle-ci.

Figure 2 : Maximum de vraisemblance du paramètre de largeur Γ_H attendu (ligne pointillée) et observée (ligne continue) pour les canaux 2l2ν (vert), 4l (magenta) et pour leur combinaison (noir).

Le groupe du LLR, qui a contribué à la découverte et à la mesure les propriétés du boson de Higgs dans le canal pp→H→ZZ→4l (où l désigne un lepton), a initié la mesure de largeur du boson de Higgs par la production hors couche de masse en établissant les premières contraintes à partir des donnés du LHC sur cette largeur dès le Run 1 du LHC. Les contraintes obtenues étaient alors 100 fois plus précises que la mesure directe sur la couche de masse. La combinaison du canal en 4 leptons (H→4l) avec le canal en 2 leptons et 2 neutrinos ( H→2l2ν), ainsi que l’augmentation de la statistique a ensuite permis d’améliorer la contrainte et d’atteindre une sensibilité comparable à la largeur attendue dans le SM. La mesure présentée, qui utilise l’ensemble des données du Run 2 à l’énergie dans le centre de masse de 13 TeV, permet d’établir une évidence pour la production hors couche de masse du boson de Higgs en combinant les analyses effectuées dans les canaux H→ZZ*→4l et H→ZZ*→2l2ν, ainsi que la mesure de la largeur du boson de Higgs par la combinaison de la mesure hors couche de masse avec la mesure sur la couche de masse. Le taux de production du Higgs à une masse supérieure à 2 m_Z, relatif au taux attendu dans le SM est contraint dans l’intervalle [0.0061, 2.0] à 95% de confiance. Un scénario sans production du Higgs hors couche de masse est exclu à 99.97% de confiance (3.6 déviations standards). La largeur du boson de Higgs mesurée est de Γ^H = 3.2_-1.7 ^+2.4 MeV, en accord avec la prédiction du SM de 4.1 MeV (voir figure 2).

Contacts : Florian Beaudette, Claude Charlot