⚛️ high-energy experiments

Search for a Higgs boson produced in association with a charm quark and decaying to a W boson pair in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

En utilisant 138 fb $^{-1}$ de données de collisions proton-proton à 13 TeV collectées par le détecteur CMS, cet article recherche des bosons de Higgs produits en association avec un quark charme et se désintégrant en une paire de bosons W, établissant une limite supérieure observée à un niveau de confiance de 95 % de $|\kappa_\mathrm{c}| < 211$ sur le modificateur de l'intensité du couplage de Yukawa Higgs-charme, ce qui s'améliore à $|\kappa_\mathrm{c}| < 47$ lorsqu'il est combiné avec les résultats précédents du canal diphoton.

Auteurs originaux : CMS Collaboration

Publié 2026-08-24

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CC BY 4.0

Auteurs originaux : CMS Collaboration

Article original sous licence CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Ceci est une explication générée par l'IA de l'article ci-dessous. Elle n'a pas été rédigée ni approuvée par les auteurs. Pour une précision technique, consultez l'article original. Lire la clause de non-responsabilité complète

Depuis plus d'une décennie, la communauté scientifique scrute les briques fondamentales de l'univers, guidée par un cadre théorique connu sous le nom de Modèle Standard. Ce modèle agit comme un tableau périodique pour le monde subatomique, répertoriant les particules qui constituent la matière et les forces qui régissent leurs interactions. Au cœur de ce cadre se trouve le boson de Higgs, une particule découverte en 2012 qui est responsable de l'attribution de leur masse aux autres particules. Bien que le boson de Higgs interagisse fortement avec les particules lourdes comme le quark top et le quark bottom, sa relation avec les particules plus légères demeure un mystère. L'une des connexions les plus insaisissables est le lien entre le boson de Higgs et le quark charm, une particule plus légère qui est étonnamment difficile à détecter car elle est très commune dans la nature. Comprendre cette interaction spécifique est crucial car tout écart par rapport aux prédictions du Modèle Standard pourrait suggérer une nouvelle physique, encore inconnue, qui se situe au-delà de notre compréhension actuelle.

Un chercheur travaillant avec le détecteur Compact Muon Solenoid, ou CMS, au Grand Collisionneur de Hadrons en Suisse, a désormais franchi une étape significative vers la résolution de cette énigme. Il a mené une recherche massive pour un événement spécifique : un boson de Higgs étant créé aux côtés d'un quark charm. Dans les collisions de protons à haute énergie à l'intérieur du collisionneur, le boson de Higgs est généralement produit en association avec d'autres particules lourdes, mais l'équipe s'est concentrée sur les cas rares où il apparaît avec un quark charm. Pour trouver ce signal, ils ont recherché un schéma de désintégration très spécifique. Lorsque le boson de Higgs est créé, il se brise presque immédiatement en deux bosons W, qui sont des vecteurs de la force nucléaire faible. Ces bosons W se désintègrent ensuite davantage, l'un se transformant en un électron et un neutrino, et l'autre en un muon et un neutrino. Les chercheurs ont passé au crible les données correspondant à 138 milliards de milliards de collisions, collectées entre 2016 et 2018, à la recherche de cette signature unique d'un électron, d'un muon et d'un jet de quark charm, le tout accompagné d'une énergie manquante emportée par les neutrinos invisibles.

Le défi de cette recherche était immense car le signal qu'ils traquaient est incroyablement ténu, enfoui sous une montagne de bruit de fond provenant d'autres interactions particulaires communes. Pour séparer le signal rare du bruit, ils ont employé des algorithmes informatiques sophistiqués entraînés à reconnaître les différences subtiles entre les événements souhaités et le bruit de fond écrasant. Ils ont catégorisé les données en fonction du nombre de jets de quarks charm détectés et ont utilisé des méthodes statistiques pour comparer ce qu'ils ont observé par rapport à ce que le Modèle Standard prédisait. L'analyse a révélé que le nombre d'événements trouvés était cohérent avec le bruit de fond seul ; ils n'ont pas trouvé d'excès clair d'événements qui indiquerait la présence du boson de Higgs produit avec un quark charm.

Comme aucun signal clair n'a été trouvé, le chercheur a fixé des limites supérieures strictes sur la fréquence à laquelle cet événement pourrait se produire. Ils ont déterminé que si ce processus se produit, il se produit au maximum environ 1 065 fois plus fréquemment que ce que prédit le Modèle Standard, avec un niveau de confiance de 95 %. En combinant ces résultats avec une recherche précédente pour le même phénomène mais dans un canal de désintégration différent impliquant deux photons, les contraintes sont devenues encore plus serrées. L'analyse combinée suggère que la force de l'interaction entre le boson de Higgs et le quark charm est inférieure à 47 fois la force prédite par le Modèle Standard. Bien que cela ne prouve pas encore l'existence d'une nouvelle physique, cela réduit considérablement la fenêtre où une telle nouvelle physique pourrait se cacher. L'étude démontre que même avec les détecteurs et les techniques d'analyse les plus avancés, le quark charm reste un partenaire obstinément difficile pour le boson de Higgs afin de se révéler, nécessitant des ensembles de données encore plus vastes et des méthodes plus raffinées à l'avenir pour enfin fixer la nature exacte de leur connexion.

Résumé technique : Recherche d'un boson de Higgs produit en association avec un quark charm en se désintégrant en une paire de bosons W

Problème et motivation
Depuis la découverte du boson de Higgs, la mesure précise de ses couplages aux particules du Modèle Standard (MS) est devenue un objectif primordial. Bien que les couplages aux fermions et bosons de troisième génération soient bien étabés, les contraintes directes sur le couplage de Yukawa au quark charm ( $\kappa_c$ ) restent difficiles à obtenir. Les recherches directes précédentes pour les désintégrations $H \to c\bar{c}$ se sont considérablement améliorées grâce à des techniques avancées de marquage de charme (charm tagging), pourtant le couplage au quark charm est également accessible via la production associée d'un boson de Higgs avec un quark charm ( $cH$ ). Ce canal sonde $\kappa_c$ par le rayonnement d'un boson de Higgs à partir d'un quark charm dans l'état initial. Bien que la section efficace de production $cH$ soit faible ( $\sim 0,2 \%$ du taux de production totale du Higgs), elle offre une signature d'événement distincte par rapport aux désintégrations $H \to c\bar{c}$ . Cet article présente une recherche de la production $cH$ où le boson de Higgs se désintègre en une paire de bosons $W$ ( $H \to WW$ ), avec un $W$ se désintégrant en une paire électron-neutrino et l'autre en une paire muon-neutrino ( $e\nu\mu\nu$ ). Cet état final spécifique est choisi pour supprimer le bruit de fond dominant $Z$ +jets, qui affecte principalement les canaux dileptons de même saveur.

Méthodologie
L'analyse utilise les données de collisions proton-proton collectées par le détecteur CMS à $\sqrt{s} = 13$ TeV au cours des périodes de prise de données de 2016, 2017 et 2018, correspondant à une luminosité intégrée de 138 fb $^{-1}$ .

Sélection d'événements : Les événements sont sélectionnés en exigeant exactement un électron isolé et un muon isolé de charges opposées. Les exigences cinématiques incluent un lepton de tête $p_T > 25$ GeV, un lepton secondaire $p_T > 15$ GeV, une impulsion transverse manquante ( $p_T^{miss}$ ) $> 20$ GeV, et une masse transverse du lepton secondaire $m_{T}^{\ell_2} > 30$ GeV.
Identification des jets de charme : Les jets sont reconstruits à l'aide de l'algorithme anti- $k_T$ . Les jets de charme ( $c$ -jets) sont identifiés à l'aide du classificateur DEEPJET, un marqueur basé sur un réseau de neurones profonds. Les événements doivent contenir au moins un jet satisfaisant $p_T > 20$ GeV, $|\eta| < 2,4$ , et des seuils de discriminant spécifiques ($CvsL > 0,12$ et $CvsB > 0,5$) pour assurer l'efficacité du marquage du charme tout en supprimant les faux marquages de saveur légère et de jets $b$ .
Régions de signal (SR) et régions de contrôle (CR) : Les événements sont classés en deux SR basées sur le nombre de jets de charme identifiés ( $N_{c-j} = 1$ et $N_{c-j} > 1$ ) et en deux CR (dilepton de haute masse et enrichie en top) pour contraindre les normalisations des bruits de fond. Le bruit de fond dominant est la production $t\bar{t}$ , contribuant à environ $90 \%$ du bruit de fond total.
Analyse multivariée : Deux classificateurs d'arbres de décision boostés (BDT) sont employés :
1. $D_{bkg}$ : distingue le signal $cH$ des bruits de fond non-Higgs (ex: $t\bar{t}$ , top simple, diboson, $V$ +jets).
2. $D_{H-bkg}$ : sépare le signal $cH$ des autres processus de production de bosons de Higgs (ex: $ggH$, $VBF$ , $VH$ , $t\bar{t}H$ , et $bH$ ).
  La sortie de ces classificateurs est combinée à l'aide d'un algorithme de partitionnement $k$ -means pour créer une distribution de 1D par bacs pour l'ajustement statistique final.
Simulation et modélisation du bruit de fond : Le signal ( $cH$ ) et les processus de bruit de fond sont simulés à l'aide de divers générateurs (MADGRAPH5_aMC@NLO, POWHEG, SHERPA) avec PYTHIA 8 pour la douche de partons et l'hadronisation. Les incertitudes théoriques concernant les schémas de saveur lourde (4-flavors vs 3-flavors pour $cH$ ) et la modélisation de la saveur lourde dans $H$ +jets sont traitées comme des incertitudes de forme significatives.

Contributions clés et résultats
L'analyse effectue un ajustement de maximum de vraisemblance simultané par bacs sur toutes les régions de signal et de contrôle. Deux scénarios sont évalués :

Ajustement 1POI : La normalisation du bruit de fond $H$ +charm ( $H+c$ -bkg) est fixée à la prédiction du MS.
Ajustement 2POI : La normalisation du $H+c$ -bkg est autorisée à fluctuer, testant les corrélations potentielles entre le signal et la composante de bruit de fond.

Résultats :

Force du signal ( $\mu_{cH}$ ) : Dans le scénario 1POI, la limite supérieure observée (attendue) sur la force du signal par rapport au MS est de 1065 (506). La force du signal mesurée est $\mu_{cH} = 390^{+380}_{-270}$ , cohérente avec le MS à $1,5$ écart-type. La sensibilité est dominée par la catégorie $N_{c-j} = 1$ .
Modificateur de couplage ( $\kappa_c$ ) : Sous l'hypothèse de direction plate (où les autres couplages du Higgs s'ajustent pour maintenir les autres forces de signal à l'unité), la contrainte observée (attendue) sur le modificateur de couplage de Yukawa du charme est $|\kappa_c| < 211$ (95) à un niveau de confiance (CL) de 95 %.
Analyse combinée : Lorsqu'elle est combinée avec la recherche précédente de CMS pour la production $cH$ dans le canal de désintégration diphoton, les limites s'améliorent. La limite supérieure observée (attendue) combinée sur $\mu_{cH}$ est de 257 (281), ce qui se traduit par des contraintes sur le modificateur de couplage de $|\kappa_c| < 47$ (51) à 95 % CL.

Signification
Cet article présente la première recherche de la production $cH$ avec le boson de Higgs se désintégrant en $WW$ . Bien que les limites actuelles ne soient pas encore compétitives avec les recherches directes $H \to c\bar{c}$ ou les contraintes indirectes, ce canal constitue une sonde alternative et complémentaire du couplage de Yukawa Higgs-charm. L'analyse démontre la capacité d'isoler la production $cH$ dans un état final complexe dominé par le bruit de fond $t\bar{t}$ en utilisant des techniques d'apprentissage automatique avancées et des sélections cinématiques spécifiques. L'article note que la sensibilité est actuellement limitée par les incertitudes statistiques dans les données et les incertitudes théoriques significatives liées à la modélisation de la saveur lourde. Des améliorations futures sont anticipées avec des ensembles de données plus importants du LHC à haute luminosité et des progrès dans les algorithmes d'identification des jets de saveur lourde.

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