Pourquoi vouloir mesurer toujours plus précisément la masse du boson de Higgs ?
Pierre angulaire du modèle standard de la physique des particules, le boson de Higgs a été découvert en 2012 au LHC du CERN. Il est associé champ de Brout-Englert-Higgs, un champ invisible présent partout dans l'Univers qui dote les autres particules d'une masse. Mais, contrairement à d'autres grandeurs, la masse du Higgs ne peut pas être prédite par la théorie ; elle doit être mesurée expérimentalement avec la plus grande précision possible.
Pour mesurer la masse du boson de Higgs, les chercheurs de CMS utilisent notamment un canal de désintégration particulier : lorsque le boson de Higgs se transforme en deux photons, c'est-à-dire en deux particules de lumière. Ce canal est particulièrement intéressant car les propriétés des photons (en particulier leur énergie) sont précisément mesurées par le calorimètre électromagnétique de CMS, ce qui permet de reconstruire la masse du boson de Higgs.
En quoi consiste cette nouvelle méthode ?
Cette mesure repose sur la calibration précise de la réponse en énergie de quelques 76 000 cristaux de tungstate de plomb du calorimètre électromagnétique. C'est lui qui arrête les photons et transforme leur énergie en signal mesurable. Mais, pour que les résultats soient fiables, ce détecteur doit être parfaitement calibré, c'est-à-dire que sa réponse doit être connue avec une grande précision et régulièrement ajustée.
L'équipe du CEA-Irfu est fortement impliquée dans le fonctionnement et la compréhension de ce détecteur depuis sa conception. Pour cette analyse, de nouvelles techniques ont été développées au sein de l'institut pour calibrer l'énergie des électrons et des photons à partir des données :
- La première étape a consisté à calibrer la réponse du détecteur à l'aide d'événements où un boson Z se désintègre en une paire électron-positron, la masse du boson Z étant très précisément connue par ailleurs. Cette méthode, repensée par l'équipe de l'Irfu, repose sur une approche plus rapide et plus robuste que les techniques utilisées précédemment.
- Dans un second temps, cette méthode a été adaptée pour prendre en compte la différence de réponse entre les électrons et les photons. Pour cela, des événements au cours desquels un boson Z se désintègre en deux muons accompagnés d'un photon, sont utilisés. Les photons issus de cette désintégration fournissent une référence directe pour calibrer leur énergie.
Cette approche rend possible un meilleur contrôle des variations subtiles de la réponse en énergie du calorimètre, ainsi qu'une amélioration significative de la précision de la mesure. Elle permet également de réduire les incertitudes systématiques qui limitent cette précision, conduisant ainsi au résultat : mH = 125.14 ± 0.15 GeV, en bon accord avec les autres mesures réalisées au LHC.
À l'avenir, les nouvelles données collectées lors des prochaines phases du LHC devraient encore améliorer ces mesures. L'objectif est de continuer à réduire les incertitudes pour sonder avec une précision exceptionnelle les propriétés fondamentales du boson de Higgs.