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Combination of searches for nonresonant Higgs boson pair production 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 l'expérience CMS, cet article présente une recherche combinée de la production de paires de bosons de Higgs non résonnantes qui établit les limites les plus strictes à ce jour sur la section efficace de production inclusive, contraint les modificateurs du couplage trilinéaire auto-couplage du Higgs et du couplage avec les bosons vectoriels, et explore divers scénarios de nouvelle physique dans le cadre de la théorie effective des champs du Higgs.

Auteurs originaux : CMS Collaboration

Publié 2026-09-09

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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

Au cœur de l'univers, une force fondamentale donne une masse aux particules qui composent tout ce que nous voyons. Cette force est transportée par un champ qui imprègne tout l'espace, et la particule associée à ce champ est le boson de Higgs. Découvert en 2012, cette particule a confirmé une théorie vieille de plusieurs décennies sur la manière dont l'univers a acquis sa structure. Cependant, bien que les scientifiques aient mesuré comment le boson de Higgs interagit avec d'autres particules, un aspect crucial de sa nature reste un mystère : comment il interagit avec lui-même. Tout comme un aimant possède un pôle nord et un pôle sud, le champ de Higgs possède une auto-interaction qui détermine la forme du paysage énergétique de l'univers. Comprendre cette auto-interaction est vital car elle révèle la stabilité de l'univers et la façon dont il a évolué depuis le Big Bang. Si le boson de Higgs se comporte différemment de ce qui est prédit, cela pourrait pointer vers de toutes nouvelles lois de la physique au-delà de notre compréhension actuelle.

Un chercheur travaillant avec l'expérience du Solénoïde de Muons Compact, ou CMS, au Grand Collisionneur de Hadrons en Suisse, a franchi une étape massive vers la résolution de ce casse-tête. En analysant une vaste collection de données issues de collisions proton-proton enregistrées entre 2016 et 2018, il a recherché un événement rare où deux bosons de Higgs sont créés simultanément. Ce processus, connu sous le nom de production de paires non résonante, est le moyen le plus direct de mesurer la force de l'auto-interaction du boson de Higgs. Le chercheur a examiné 138 unités de données de collision, un volume équivalent à la production d'énergie totale du collisionneur sur trois ans, à la recherche de motifs spécifiques où les bosons de Higgs se désintègrent en d'autres particules comme des quarks bottom, des leptons tau, des photons ou des bosons W. Comme cet événement est incroyablement rare, il a dû passer au crible des milliards de collisions pour trouver les quelques candidats qui pourraient signaler la présence de deux bosons de Higgs.

La recherche a couvert plusieurs voies, ou « canaux », selon la manière dont les deux bosons de Higgs se sont brisés après avoir été créés. Certaines analyses se sont concentrées sur la désintégration en quatre quarks bottom, qui est le résultat le plus courant mais aussi le plus difficile à distinguer du bruit de fond. D'autres ont recherché des signatures plus nettes, telles que deux bosons de Higgs se désintégrant en deux photons et deux quarks bottom, ou en paires de leptons tau. Le chercheur a combiné les résultats de toutes ces différentes approches pour créer une mesure unique et puissante. Il n'a trouvé aucune preuve d'un nouveau signal inattendu qui indiquerait un écart par rapport au modèle standard de la physique. Au contraire, les données s'alignent étroitement sur les prédictions faites par le modèle standard, bien que la précision statistique ne soit pas encore assez élevée pour exclure toutes les variations possibles.

Le chercheur a fixé des limites strictes sur la manière dont l'auto-interaction du boson de Higgs pourrait différer du modèle standard. Il a déterminé que la force de cette interaction, représentée par un modificateur spécifique, doit se situer dans une plage allant de -1,35 à +6,37 fois la valeur standard. Bien que cette plage soit encore large, elle représente la contrainte la plus précise réalisée à ce jour en utilisant les données du Grand Collisionneur de Hadrons. De plus, l'étude a examiné comment le boson de Higgs interagit avec d'autres particules porteuses de force, spécifiquement les bosons vectoriels. Les données suggèrent fortement que l'interaction entre deux bosons vectoriels et deux bosons de Higgs existe et se comporte comme prévu, excluant la possibilité que cette interaction soit nulle avec un haut degré de certitude statistique. Cette découverte confirme un type spécifique d'interaction à quatre particules qui est essentiel pour la cohérence mathématique de la théorie.

Au-delà du modèle standard, le chercheur a également recherché des signes de « nouvelle physique » en testant divers scénarios théoriques où le boson de Higgs pourrait avoir des connexions inhabituelles avec d'autres particules, telles que les quarks top ou les gluons. Il n'a trouvé aucune preuve de ces couplages exotiques, écartant ainsi plusieurs modèles théoriques spécifiques qui prédisaient un tel comportement. L'étude a également projeté ce qui pourrait se passer lorsque le Grand Collisionneur de Hadrons sera mis à niveau vers une version à haute luminosité dans les années à venir. Avec beaucoup plus de données, le chercheur estime qu'ils pourraient atteindre un niveau de sensibilité qui permettrait de voir clairement le processus de production de paires de bosons de Higgs, confirmant potentiellement les prédictions du modèle standard avec une grande confiance ou révélant une fissure dans les fondations de la physique actuelle. Pour l'instant, le boson de Higgs reste une particule obstinément standard, gardant ses secrets juste hors de portée, mais le chemin à parcourir devient de plus en plus clair.

Résumé technique : Combinaison de recherches pour la production non résonante de paires de bosons Higgs dans les collisions proton-proton à $\sqrt{s} = 13$ TeV

Problème et motivation
Bien que la découverte du boson Higgs (H) en 2012 ait confirmé le mécanisme de brisure de la symétrie électrofaible, la nature de l'auto-interaction du boson Higgs demeure une question ouverte. Les mesures des auto-couplages triliaires ( $\lambda_3$ ) et quartiques ( $\lambda_4$ ) sont essentielles pour valider le mécanisme de Brout–Englert–Higgs et sonder d'éventuels scénarios de nouvelle physique, tels que les secteurs Higgs étendus. Bien que le couplage quartique soit difficile d'accès au Grand collisionneur de hadrons (LHC), le couplage triliaire peut être directement sondé via la production non résonante de paires de bosons Higgs (HH). Cet article présente une combinaison de recherches pour la production non résonante de HH utilisant l'ensemble des données du Run 2 collectées par l'expérience CMS à $\sqrt{s} = 13$ TeV, correspondant à une luminosité intégrée de 138 fb $^{-1}$ .

Méthodologie
L'analyse combine les résultats de plusieurs canaux de désintégration et mécanismes de production afin de maximiser la sensibilité au modificateur de l'auto-couplage triliaire du boson Higgs ( $\kappa_\lambda = \lambda_3/\lambda_3^{\text{SM}}$ ) et au modificateur de couplage régissant l'interaction entre deux bosons vectoriels et deux bosons Higgs ( $\kappa_{2V}$ ).

Canaux et topologies : La combinaison inclut les recherches dans les états finaux suivants :
- $HH \to bbbb$ (topologies résolues et boostées, incluant la production VHH).
- $HH \to bb\tau\tau$ .
- $HH \to bb\gamma\gamma$ .
- $HH \to bbWW$ (incluant $WW \to \ell\nu qq/2\ell2\nu$ et $WW \to 4q$ ).
- $HH \to \text{multileptons}$ ( $4W, 2W2\tau, 4\tau$ ).
- $HH \to \tau\tau\gamma\gamma$ .
- $HH \to bbZZ$ ( $4\ell$ ).
- $HH \to WW\gamma\gamma$ .
- De nouveaux canaux introduits dans cette combinaison incluent $bbWW$ (totalement hadronique et semi-leptonique) et $WW\gamma\gamma$ .
Modélisation du signal : L'analyse utilise le cadre de la Théorie effective des champs de Higgs (HEFT). Les échantillons de signal pour la fusion gluons-gluons (ggF) sont modélés à l'aide d'une méthode de repondération qui paramètre les sections efficaces différentielles en fonction de la masse invariante de la paire HH et de la séparation angulaire, permettant des balayages sur les modificateurs de couplage ( $\kappa_\lambda, \kappa_t, c_2, c_g, c_{2g}$ ). La production par fusion de bosons vectoriels (VBF) et la production associée (VHH) sont modélées par des combinaisons linéaires d'échantillons simulés avec des modificateurs de couplage variables.
Combinaison statistique : Un ajustement global de maximum de vraisemblance est effectué en utilisant le test du rapport de vraisemblance profilée. Les incertitudes systématiques (théoriques et expérimentales) sont traitées comme des paramètres de nuisance. Les corrélations entre les analyses sont pleinement prises en compte, et des stratégies spécifiques de suppression des chevauchements sont appliquées pour éviter le double comptage d'événements.
Projections : Les résultats sont extrapolés aux conditions du LHC à haute luminosité (HL-LHC), en considérant des luminosités intégrées allant jusqu'à 3000 fb $^{-1}$ et trois scénarios pour les incertitudes systématiques.

Contributions clés

Première combinaison de multiples canaux : Ce travail supplante les résultats précédents en combinant un ensemble plus large d'états finaux, incluant les premières recherches pour $HH \to bbWW$ dans le canal totalement hadronique et l'inclusion de la production VHH dans l'état final $bbbb$.
Contraintes HEFT et modèles UV-complets : Au-delà des modificateurs de couplage standards, l'analyse contraint les couplages anormaux ( $c_2, c_g, c_{2g}$ ) dans le cadre de l'HEFT. Ces contraintes sont cartographiées vers des modèles spécifiques complets en ultra-violets (UV), incluant les extensions de singulet, les modèles à deux doublets de Higgs (2HDM) et les modèles de Higgs composites minimaux (MCHM).
Exclusion de $\kappa_{2V} = 0$ : L'analyse fournit une exclusion définitive du scénario où le couplage quartique Higgs-boson vectoriel est nul.

Résultats

Limites de section efficace : La limite supérieure observée (attendue) sur la section efficace de production non résonante de HH inclusive est de 3,5 (2,5) fois la prédiction du Modèle Standard (SM) à un niveau de confiance de 95 % (CL). Pour la production VBF seule, la limite est de 79 (91) fois la prédiction du SM.
Modificateurs de couplage :
- $\kappa_\lambda$ : En supposant des valeurs SM pour les autres couplages, $\kappa_\lambda$ est contraint dans l'intervalle $[-1,35, 6,37]$ à 95 % CL (attendu : $[-2,24, 7,89]$ ). La meilleure valeur ajustée est 1,51.
- $\kappa_{2V}$ : La valeur $\kappa_{2V} = 0$ est exclue avec une signification de 6,6 écarts-types. À 95 % CL, $\kappa_{2V}$ est contraint à $[0,64, 1,40]$ (attendu : $[0,62, 1,41]$ ).
- Couplages anormaux ( $c_2$ ) : Le modificateur de couplage $c_2$ (interaction entre deux quarks top et deux bosons Higgs) est contraint à $[-0,29, 0,63]$ à 95 % CL (attendu : $[-0,27, 0,56]$ ).
Contraintes de modèles :
- Extensions de singulet : Des contraintes sont placées sur l'angle de mélange $\alpha$ et le couplage triliaire effectif $\lambda_{\text{eff}}$ .
- 2HDM : Des contours d'exclusion sont dérivés dans les plans $(m_H, \tan\beta)$ et $(|\cos(\beta-\alpha), \tan\beta)$ pour les modèles de type I, II, X et Y.
- MCHM : Le paramètre de compacité $\xi$ est contraint à $[0, 0,45]$ pour MCHM4 et $[0, 0,26]$ pour MCHM5 à 95 % CL.
Projections HL-LHC : L'analyse projette qu'avec une luminosité intégrée de 2000 fb $^{-1}$ , l'expérience CMS pourrait obtenir une preuve de la production de HH (signification de 3,5 $\sigma$ ) en supposant un signal de type SM et des incertitudes systématiques nominales. À 3000 fb $^{-1}$ , la signification attendue s'élève à 4,2 $\sigma$ .

Signification
Ce travail représente les limites et contraintes les plus strictes obtenues à ce jour à partir des recherches de production non résonante de HH utilisant l'ensemble des données du Run 2 du LHC. L'exclusion de $\kappa_{2V} = 0$ à plus de 5 écarts-types marque une étape décisive dans l'établissement de la présence d'interactions quartiques Higgs-boson vectoriel dans la nature. Les résultats sont cohérents avec les prédictions du SM, et aucune déviation significative par rapport au SM n'est observée. L'article conclut qu'avec les données anticipées du HL-LHC, l'observation de la production de HH est à portée de main, offrant une voie critique pour comprendre le potentiel de Higgs et la stabilité du vide électrofaible.

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