Measurement of the Higgs boson total decay width using the H $\to$ WW $\to$ e$\nu\mu\nu$ decay channel in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 TeV

En utilisant 138 fb$^{-1}$ de données de collisions proton-proton à 13 TeV, l'expérience CMS a mesuré la largeur de désintégration totale du boson de Higgs à 3,9$^{+2,7}_{-2,2}$ MeV via le canal H $\to$ WW $\to$ e$\nu\mu\nu$, réalisant une amélioration triplée de l'incertitude par rapport aux résultats précédents tout en confirmant la cohérence avec le Modèle Standard.

L'essentiel

La Vue d'Ensemble : Peser un Fantôme

Imaginez le boson de Higgs comme un fantôme très timide, incroyablement rapide, qui apparaît pendant une fraction de seconde dans un collisionneur de particules massif (le Grand collisionneur de hadrons, ou LHC) avant de disparaître. Les scientifiques veulent savoir exactement combien ce fantôme est « lourd » en termes d'énergie, ce que les physiciens appellent sa largeur de désintégration.

Pensez à la largeur de désintégration comme au volume d'une cloche.

• Une cloche qui sonne longtemps (une largeur de désintégration large) est forte et facile à entendre.
• Une cloche qui sonne pendant une infime fraction de seconde (une largeur de désintégration étroite) est un « ping » silencieux très difficile à capter.

Le Modèle Standard (le livre de règles de la physique) prédit que ce fantôme de Higgs devrait être un « ping » très silencieux — si silencieux que nos détecteurs sont trop flous pour l'entendre directement. C'est comme essayer de mesurer le poids exact d'une plume avec une balance de salle de bain ; la balance n'est pas assez sensible.

L'Astuce : Écouter l'Écho

Puisqu'ils ne peuvent pas peser le fantôme directement, l'équipe CMS au CERN a utilisé une astuce ingénieuse. Ils ont examiné deux façons différentes dont le fantôme apparaît :

1. Le Fantôme « Sur la Coquille » (L'Événement Principal) : C'est le fantôme apparaissant à son énergie normale et attendue (125 GeV). C'est comme si le fantôme se présentait à une fête exactement à l'heure convenue.
2. Le Fantôme « Hors Coquille » (L'Invité Rare) : C'est le fantôme apparaissant à des énergies beaucoup plus élevées (plus de 160 GeV). C'est comme si le fantôme faisait irruption à la fête à un niveau d'énergie beaucoup plus élevé. Cela arrive très rarement.

L'Analogie :
Imaginez que vous essayez de déterminer la vitesse à laquelle tourne un moteur de voiture, mais que vous ne pouvez pas regarder le moteur. Au lieu de cela, vous observez combien de carburant la voiture consomme à une vitesse lente (sur la coquille) par rapport à la quantité qu'elle consomme lorsque le moteur est au régime maximal (hors coquille).

L'article explique que le rapport entre ces deux « consommations de carburant » vous révèle la vitesse secrète du moteur (la largeur de désintégration). Si le fantôme est très « étroit » (silencieux), la version « hors coquille » à haute énergie est beaucoup plus difficile à produire que la version normale. En mesurant à quelle fréquence la version à haute énergie apparaît par rapport à la version normale, ils peuvent calculer la largeur.

L'Expérience : Le Grand Filtre

Les scientifiques ont examiné 138 « femtobarns » de données. Pour vous en donner une idée, c'est comme observer 138 billions de collisions de protons se produire dans le LHC entre 2016 et 2018.

Ils cherchaient un signal spécifique : un boson de Higgs se transformant en deux particules W, qui se transforment ensuite en un électron et un muon (ainsi que des neutrinos invisibles).

• Le Défi : Le bruit de fond est énorme. C'est comme essayer d'entendre un chuchotement dans un stade rempli de fans qui acclament. Les « fans » sont d'autres collisions de particules qui ressemblent au Higgs mais ne le sont pas.
• La Solution : Ils ont utilisé un Réseau de Neurones Profond (DNN). Imaginez cela comme un arbitre IA ultra-intelligent. Il a examiné chaque collision individuelle et demandé : « Cela ressemble-t-il au fantôme de Higgs, ou n'est-ce que du bruit de fond ? » Il a trié les événements en différentes catégories en fonction du nombre d'autres particules (jets) qui volaient autour.

Les Résultats : Une Correspondance Parfaite

Après avoir trié le bruit et utilisé leur arbitre IA, l'équipe a constaté :

• Le Signal Hors Coquille : Ils ont mesuré à quelle fréquence le fantôme à haute énergie apparaissait. Le résultat était 1,2 (avec une certaine incertitude). Dans le livre de règles, une valeur de 1,0 est parfaite. Donc, 1,2 est très proche de ce qui était attendu.
• La Largeur Totale : En utilisant le rapport entre le fantôme à haute énergie et le fantôme normal, ils ont calculé la largeur totale de désintégration.
  • Leur Résultat : 3,9 MeV (plus ou moins un peu).
  • La Prédiction : 4,1 MeV.

Le Verdict : La mesure correspond parfaitement au Modèle Standard. Le « fantôme » est exactement aussi silencieux et insaisissable que le livre de règles l'avait prédit.

Pourquoi Cela Compte

Ce n'est pas seulement un article du type « nous l'avons trouvé » ; c'est un article du type « nous l'avons mesuré avec précision ».

• Amélioration : Ce résultat est 3 fois plus précis que la tentative précédente de la même équipe utilisant des données plus anciennes.
• Nouveau Canal : C'est la première fois que l'équipe CMS mesure cette largeur spécifique en utilisant le canal H → WW (Higgs vers particules W) à la haute énergie de 13 TeV. Auparavant, ils devaient utiliser un canal différent (H → ZZ).
• Cohérence : Le fait que la mesure corresponde si bien à la prédiction signifie qu'il n'y a pas de nouvelle physique « étrange » qui se cache dans les ombres pour le moment. Le boson de Higgs se comporte exactement comme le Modèle Standard le prédit.

Résumé

L'équipe CMS a agi comme des détectifs essayant de peser un fantôme. Ils ne pouvaient pas le peser directement, alors ils ont comparé la fréquence à laquelle le fantôme apparaissait dans un état « normal » par rapport à un état « haute énergie ». En utilisant une quantité massive de données et une IA intelligente pour filtrer le bruit, ils ont calculé la « largeur » du fantôme à 3,9 MeV. Cela correspond presque parfaitement à la prédiction théorique de 4,1 MeV, confirmant que notre compréhension actuelle des briques de l'univers tient toujours bon.

Résumé technique

Résumé technique : Mesure de la largeur de désintégration totale du boson de Higgs via le canal de désintégration H →WW →eνµν

Problème et motivation
La largeur de désintégration totale du boson de Higgs ($\Gamma_H$) est un paramètre fondamental du Modèle Standard (MS). Pour un boson de Higgs du MS d'une masse de 125 GeV, la prédiction théorique est de 4,1 MeV. Cependant, cette valeur est nettement inférieure à la résolution en masse invariante des détecteurs du Grand collisionneur de hadrons (LHC), rendant la mesure directe de la largeur de désintégration impossible. Par conséquent, $\Gamma_H$ doit être contraint indirectement en comparant les taux de production du boson de Higgs dans les régimes « sur couche de masse » (près de la masse de résonance) et « hors couche de masse » (à hautes masses invariantes).

Les mesures précédentes de la collaboration CMS dans le canal $H \to ZZ$ et le canal $H \to WW \to 2\ell 2\nu$ (utilisant des données à 7 et 8 TeV) ont fourni des contraintes, mais avec une précision limitée. Cet article répond au besoin d'une détermination plus précise de $\Gamma_H$ en utilisant l'ensemble complet des données de la prise de données Run 2 (2016–2018) à $\sqrt{s} = 13$ TeV, ciblant spécifiquement le canal de désintégration $H \to WW \to e\nu\mu\nu$. L'étude vise à améliorer la limite précédente du CMS dans ce canal ($\Gamma_H < 26$ MeV) en tirant parti d'une énergie de centre de masse accrue, d'une luminosité intégrée plus élevée et d'une modélisation théorique et expérimentale affinée.

Méthodologie
L'analyse utilise des données de collisions proton-proton correspondant à une luminosité intégrée de 138 fb$^{-1}$ collectées par l'expérience CMS. La mesure repose sur le rapport des sections efficaces de production hors couche de masse et sur couche de masse, qui est proportionnel à la largeur de désintégration totale ($\Gamma_H \propto \mu_{\text{hors-couche}} / \mu_{\text{sur-couche}}$).

• Sélection et reconstruction des événements : Les événements sont sélectionnés en exigeant une paire électron-muon de charges opposées ($e\mu$) pour supprimer les fonds de Drell-Yan. Les exigences cinématiques incluent un impulsion transverse manquante ($p^{\text{miss}}_T > 20$ GeV) pour tenir compte des neutrinos, une masse invariante dileptonique $m_{e\mu} > 20$ GeV, et une masse transverse reconstruite du boson de Higgs $m^H_T > 60$ GeV. Les jets sont regroupés à l'aide de l'algorithme anti-$k_T$, et les événements contenant des jets étiquetés $b$ sont rejetés pour réduire les fonds de quarks top.
• Catégorisation : Les événements sont catégorisés en fonction du nombre de jets (0, 1 et $\ge 2$) pour distinguer les modes de production par fusion de gluons (ggF) et par fusion de bosons vectoriels (VBF).
• Discrimination par apprentissage automatique : Un réseau de neurones profond (DNN) multiclasse est utilisé pour séparer le signal du fond. Le DNN est entraîné pour classer les événements en quatre classes pour les catégories 0 et 1 jet (ggF hors-couche, ggF sur-couche, quark top, WW non résonant) et en six classes pour la catégorie $\ge 2$ jets (ajoutant VBF hors-couche/sur-couche). Les variables d'entrée comprennent les propriétés cinématiques du système dilepton, du système dijet, de l'impulsion transverse manquante et d'une masse invariante proxy du système WW.
• Modélisation du signal et des fonds :
  • Signal : Les contributions hors-couche sont définies par une exigence au niveau du générateur de $m_{WW} > 160$ GeV. Les simulations pour ggF et VBF utilisent POWHEG et JHUGEN (pour VBF) ou MCFM (pour ggF), intégrant des schémes de pôles complexes et des effets d'interférence entre le signal et les fonds continus.
  • Fonds : Les principaux fonds incluent la production non résonante de WW, les quarks top ($t\bar{t}$) et les processus de Drell-Yan. Les normalisations pour WW non résonant et $t\bar{t}$ sont contraintes simultanément dans les régions de signal (SR) et les régions de contrôle (CR) à l'aide des données. Les fonds de leptons non prompts sont estimés en utilisant une approche de type « méthode matricielle » basée sur les données.
• Analyse statistique : Un ajustement de vraisemblance profilée est réalisé en utilisant le cadre COMBINE. La fonction de vraisemblance intègre les distributions de sortie du DNN pour les régions de signal hors-couche et les régions de contrôle sur-couche. Les incertitudes systématiques (expérimentales et théoriques) sont traitées comme des paramètres de nuisance avec des contraintes gaussiennes.

Contributions principales

• Première mesure à 13 TeV dans $H \to WW$ : Ce travail présente la première détermination par le CMS de la largeur de désintégration du boson de Higgs utilisant le canal $H \to WW \to e\nu\mu\nu$ à $\sqrt{s} = 13$ TeV.
• Amélioration de la précision : L'analyse réalise une amélioration d'un facteur 3 de l'incertitude par rapport au résultat précédent du CMS dans ce canal de désintégration spécifique (dérivé des données à 7 et 8 TeV).
• Modélisation avancée : L'étude met en œuvre une modélisation sophistiquée de l'interférence entre le signal de Higgs hors-couche et le fond continu WW, ce qui est crucial pour l'extraction précise de la force du signal dans la queue de haute masse.
• Catégorisation basée sur les DNN : L'application de réseaux de neurones profonds permet une discrimination efficace entre le signal et le fond à travers différentes multiplicités de jets, optimisant la sensibilité dans les modes de production ggF et VBF.

Résultats

• Force du signal hors-couche : La force du signal hors-couche est mesurée à $\mu_{\text{hors-couche}} = 1,2^{+0,8}_{-0,7}$. Cette valeur est cohérente avec la prédiction du MS d'unité.
• Largeur de désintégration totale : La largeur de désintégration totale du boson de Higgs est déterminée à $\Gamma_H = 3,9^{+2,7}_{-2,2}$ MeV.
• Cohérence avec le MS : La largeur mesurée est en accord avec la prédiction du Modèle Standard de 4,1 MeV.
• Limites d'exclusion : Le scénario de non-production de boson de Higgs hors-couche est exclu à 3,4 écarts-types (avec une exclusion attendue de 1,3 écarts-types). La limite supérieure au niveau de confiance de 95 % sur la largeur est $\Gamma_H < 22,00$ MeV.
• Décomposition des incertitudes : L'incertitude totale sur le rapport $r = \mu_{\text{hors-couche}}/\mu_{\text{sur-couche}}$ est dominée par les incertitudes statistiques (56 %), suivies par les incertitudes théoriques (27 %).

Signification
L'article affirme que ce résultat représente une avancée significative dans la contrainte des propriétés du boson de Higgs. En complétant les mesures précédentes dans le canal $H \to ZZ$, cette analyse fournit une contrainte robuste et indépendante sur $\Gamma_H$ en utilisant le canal WW. Le résultat confirme la prédiction du MS dans les limites d'incertitude et démontre que les déviations par rapport au MS, qui pourraient indiquer des couplages anormaux ou une nouvelle physique, sont actuellement contraintes dans la plage mesurée. L'amélioration de la précision par rapport aux limites précédentes dans ce canal met en évidence l'efficacité de l'utilisation de l'ensemble complet des données de Run 2 et de techniques d'analyse avancées telles que l'apprentissage profond et la modélisation précise des interférences.