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Search for the rare Higgs boson decay H $\to$ Z $\gamma$ in proton-proton collisions at $\sqrt{s}$ = 13 and 13.6 TeV

L'expérience CMS a analysé 200 fb $^{-1}$ de données de collisions proton-proton à 13 et 13,6 TeV pour rechercher la désintégration rare du boson de Higgs $H \to Z\gamma$ , observant une force de signal cohérente avec la prédiction du Modèle Standard avec une signification observée de 1,9 écart-type.

Auteurs originaux : CMS Collaboration

Publié 2026-09-07

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CC BY 4.0

Auteurs originaux : CMS Collaboration

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Dans l'architecture vaste et invisible de l'univers, il existe un champ fondamental qui donne une masse aux particules qui composent tout ce que nous voyons. Sans ce champ, les briques élémentaires de la matière se déplaceraient à la vitesse de la lumière, incapables de s'agglutiner pour former des atomes, des étoiles ou des êtres humains. La particule associée à ce champ est le boson de Higgs, une découverte faite en 2012 qui a confirmé une théorie vieille de plusieurs décennies sur le fonctionnement de l'univers. Depuis cette découverte, les physiciens se sont affairés à mesurer les propriétés de cette particule avec une précision extrême, vérifiant si elle se comporte exactement comme le prédit le modèle standard de la physique ou si elle présente de minuscules fissures qui pourraient mener à de nouvelles lois de la nature inconnues. L'un des moyens les plus difficiles de tester cela est d'observer la désintégration du boson de Higgs, ou sa fragmentation, en d'autres particules. Bien qu'il se décompose généralement en particules communes, il est également prédit qu'il se transforme occasionnellement en un boson Z et un photon de lumière. Cette transformation spécifique est extrêmement rare, ne se produisant qu'environ une fois sur mille désintégrations, ce qui en fait une recherche d'une aiguille dans une botte de foin nécessitant des quantités immenses de données et des outils sophistiqués pour réussir.

Un chercheur travaillant avec l'expérience CMS au Grand Collisionneur de Hadrons en Suisse vient de terminer une recherche massive de cet événement rare. Il a analysé un ensemble colossal de données de collisions entre des protons, les minuscules particules qui composent les noyaux atomiques, qui ont été fracassés les uns contre les autres à des énergies de 13 et 13,6 téraélectronvolts. Ces données, collectées sur plusieurs années, représentent une luminosité totale de 200 femtobarns inverses, une mesure du nombre de collisions survenues. Pour trouver le boson de Higgs se désintégrant en un boson Z et un photon, le scientifique a recherché une signature très spécifique : une paire de particules chargées (soit des électrons, soit des muons) provenant du boson Z, accompagnée d'un photon unique de haute énergie. Comme le boson Z est instable, il se brise immédiatement en ces deux particules chargées, laissant une trace claire dans le détecteur. Le défi était que le bruit de fond provenant d'autres interactions de particules communes est énorme, créant des millions d'événements qui ressemblent presque identiquement au signal que le scientifique traquait.

Pour séparer le signal du bruit, le chercheur n'a pas compté sur une seule méthode mais a plutôt construit une stratégie complexe à plusieurs niveaux. Il a d'abord trié les événements de collision en différentes catégories basées sur la manière dont le boson de Higgs a probablement été créé. Certains événements proviennent de la collision de deux gluons, les particules qui maintiennent les noyaux atomiques ensemble, tandis que d'autres proviennent de la fusion de particules porteuses de force ou de l'association avec d'autres particules lourdes comme les quarks top. Pour le type de création le plus courant, il a utilisé des algorithmes informatiques avancés, connus sous le nom d'arbres de décision boostés, pour apprendre les différences subtiles entre un véritable signal et un événement de fond. Ces algorithmes analysaient des dizaines de caractéristiques, telles que les angles sous lesquels les particules s'éparpillent et l'énergie qu'elles transportent, afin d'attribuer un score indiquant la probabilité qu'un événement soit la désintégration rare recherchée. Il a également appliqué une technique mathématique spéciale pour affiner la mesure de l'énergie des particules, améliorant ainsi l'image des données pour que le signal se détache plus nettement du bruit de fond.

Après avoir appliqué tous ces filtres et trié les millions d'événements en treize catégories distinctes, le chercheur a effectué une analyse statistique simultanée pour chercher un petit excès d'événements à la masse spécifique du boson de Higgs, qui est d'environ 125,38 gigaelectronvolts. Le résultat a été une mesure de la force du signal, qui compare la fréquence à laquelle l'événement a été observé par rapport à la fréquence à laquelle le modèle standard prédit qu'il devrait se produire. Il a trouvé une force de signal de 1,10, ce qui signifie qu'il a observé légèrement plus d'événements que prévu, mais la différence était suffisamment petite pour être compatible avec des fluctuations statistiques aléatoires. La signification statistique de cette observation est de 1,9 écart-type, une mesure de la probibilité que le résultat soit un simple coup de chance. Dans le monde de la physique des particules, une découverte nécessite une signification de cinq écarts-types, donc ce résultat n'est pas encore une découverte confirmée, mais c'est une étape significative en avant. Le chercheur a également calculé ce qu'il attendait de voir sur la base de ses simulations, ce qui était une signification de 2,3 écarts-types, montrant que ses résultats réels étaient très proches de ses attentes.

L'étude confirme que le boson de Higgs se comporte largement comme le prédit le modèle standard, même dans ce canal de désintégration rare et difficile à observer. Bien que les données aient montré une légère fluctuation à la hausse, elle n'était pas assez importante pour affirmer que de nouvelles physiques ont été trouvées ou que le modèle standard est erroné. Le chercheur a soigneusement pris en compte chaque source possible d'erreur, de la calibration de ses détecteurs aux calculs théoriques de la fréquence à laquelle ces événements devraient se produire. Il a constaté que les incertitudes de ses mesures étaient dominées par la quantité limitée de données disponibles, plutôt que par des défauts de son équipement ou de ses méthodes. Ce travail représente une amélioration significative par rapport aux recherches précédentes, augmentant la sensibilité attendue d'environ cinquante pour cent grâce à de meilleures stratégies de déclenchement, une catégorisation d'événements plus raffinée et des techniques d'apprentissage automatique améliorées. En repoussant les limites de ce qui peut être mesuré, le chercheur a réduit la fenêtre des nouvelles physiques potentielles, même s'il n'en a pas encore ouvert la porte.

Les implications de cette recherche s'étendent au-delà du simple comptage d'événements. Parce que la désintégration du boson de Higgs en un boson Z et un photon se produit via une boucle de particules virtuelles, elle est sensible à toute nouvelle particule lourde qui pourrait exister mais qui serait trop massive pour être produite directement. Si de telles particules existaient, elles modifieraient le taux de cette désintégration. Le fait que le taux observé corresponde étroitement à la prédiction du modèle standard suggère qu'il n'y a pas de contributions cachées importantes de particules inconnues affectant ce processus. Cependant, la mesure est encore limitée par la statistique, ce qui signifie qu'avec plus de données, la précision s'améliorera et la capacité à repérer de minuscules déviations augmentera. Le chercheur a mis ses données et ses outils d'analyse à la disposition de la communauté scientifique élargie, garantissant que ce résultat puisse être combiné avec d'autres mesures pour construire une image encore plus claire du boson de Higgs.

En fin de compte, cet article est un témoignage de la puissance de la patience et de la précision dans la science moderne. Le chercheur n'a pas trouvé de nouvelle particule spectaculaire ou de révolution soudaine en physique, mais il a réussi à cartographier un coin très difficile du monde subatomique avec une clarté accrue. Il a montré que le boson de Higgs, même dans ses modes de désintégration les plus évasifs, continue de suivre les règles établies par le modèle standard. La recherche continue et, le Grand Collisionneur de Hadrons continuant de fonctionner et de collecter des données, la prochaine génération de mesures repoussera probablement ces limites encore plus loin, transformant ces petits indices de signification en réponses définitives sur la nature fondamentale de la réalité.

Résumé technique : Recherche de la désintégration rare du boson de Higgs $H \to Z\gamma$ dans les collisions proton-proton à $\sqrt{s} = 13$ et 13,6 TeV

Problème et motivation
La découverte du boson de Higgs ( $H$ ) en 2012 a confirmé le mécanisme de brisure de la symétrie électrofaible. Cependant, un programme complet de mesures est nécessaire pour tester les prédictions du Modèle Standard (SM) et sonder la physique au-delà du SM (BSM). La désintégration $H \to Z\gamma$ est un processus rare, induit par des boucles, avec une fraction de désintégration prédite par le SM de $(1,5 \pm 0,1) \times 10^{-3}$ . Contrairement aux désintégrations au niveau d'arbre, ce processus ne procède que par des diagrammes de boucles dominés par les bosons $W$ et, dans une moindre mesure, par les quarks top. Par conséquent, il est hautement sensible aux contributions de particules BSM entrant dans ces boucles ou à des scénarios où le Higgs est un boson de Nambu–Goldstone composite. Les recherches précédentes d'ATLAS et CMS utilisant les données du Run 2 ont produit des significances statistiques inférieures à 3 écarts-types, avec une significativité combinée de 3,4 écarts-types. Ce document présente une recherche actualisée utilisant l'ensemble des données du Run 2 (2016–2018) et les premières données du Run 3 (2022–2023) afin d'améliorer la sensibilité.

Méthodologie
L'analyse utilise les données de collisions proton-proton enregistrées par l'expérience CMS à des énergies de centre de masse de 13 TeV (138 fb $^{-1}$ ) et 13,6 TeV (62 fb $^{-1}$ ), totalisant une luminosité intégrée de 200 fb $^{-1}$ . La recherche cible la chaîne de désintégration $H \to Z\gamma$ avec $Z \to \ell^+\ell^-$ ( $\ell = e, \mu$ ).

Sélection et reconstruction des événements : Les événements sont sélectionnés à l'aide de déclencheurs (triggers) à lepton unique et à dileptons. L'analyse nécessite deux leptons de signes opposés et de saveurs identiques avec une masse invariante compatible avec le boson $Z$ ( $80 < m_{\ell\ell} < 100$ GeV) et un photon isolé. Des exigences cinématiques, telles que $p_T(\gamma)/m_{\ell\ell\gamma} > 15/110$ et $m_{\ell\ell\gamma} + m_{\ell\ell} > 185$ GeV, sont appliquées pour supprimer les fonds non résonnants, particulièrement les événements $Z + \text{photon factice}$ .
Catégorisation des événements : Pour optimiser la sensibilité à travers différents mécanismes de production, les événements sont assignés à 13 catégories non chevauchantes :
- Fusion Gluon-Gluon (ggF) : Quatre catégories définies par un score d'Arbre de Décision Boosté (BDT), permettant au plus un jet.
- Fusion de Bosons Vectoriels (VBF) : Quatre catégories définies par BDT nécessitant au moins deux jets non marqués par le tag $b$ .
- Production Associée (VH, ttH) : Cinq catégories ciblant la production $ZH$ , $W^\pm H$ et $t\bar{t}H$ , utilisant des exigences sur la multiplicité des leptons, les jets marqués par le tag $b$ et l'impulsion transverse manquante ( $p_T^{\text{miss}}$ ).
- Non étiquetés (Untagged) : Événements ne correspondant pas aux critères ci-dessus.
Extraction du signal : Le signal est extrait via un ajustement de maximum de vraisemblance simultané de la distribution de masse invariante du système $\ell^+\ell^-\gamma$ $ℓ^{+} ℓ^{-} γ$ ( $m_{\ell\ell\gamma}$ $m_{ℓℓ γ}$ ) à travers les 13 catégories.
- Modèle de signal : Modélisé par une fonction Crystal Ball à double côté avec un cœur gaussien, avec des paramètres interpolés à partir d'échantillons simulés à $m_H = 120, 125, 130$ GeV vers la masse nominale de 125,38 GeV.
- Modèle de fond : Les fonds non résonnants ( $Z\gamma$ et $Z + \text{photon factice}$ ) sont modélisés à l'aide de fonctions empiriques sélectionnées via une méthode de profilage discret pour éviter tout biais. Un petit fond résonnant provenant de $H \to \mu^+\mu^-\gamma$ (rayonnement de l'état final) est inclus et contraint à son rendement SM.
- Amélioration de la résolution : Un ajustement contraint par la forme de la raie $Z$ est effectué sur les quadrimensions des leptons pour améliorer la résolution de masse $m_{\ell\ell\gamma}$ de 10 à 20 %.

Contributions et améliorations clés
Cette analyse introduit plusieurs améliorations par rapport à la précédente mesure CMS du Run 2 :

Jeu de données élargi : Inclusion de 62 fb $^{-1}$ de données du Run 3 à 13,6 TeV, augmentant la luminosité totale d'environ 45 % et la section efficace de production d'environ 5 %.
Stratégie de déclenchement : Implémentation d'un "OR" logique de déclencheurs à lepton unique et à dileptons, augmentant l'efficacité d'environ 10 %.
Catégorisation : Un schéma de catégorisation primaire raffiné avec des catégories secondaires basées sur BDT pour ggF et VBF, optimisant la sensibilité à des modes de production spécifiques.
Identification des objets : Critères de sélection et algorithmes d'apprentissage automatique (BDT) améliorés pour la classification des événements, utilisant des variables telles que les scores d'identification des photons, les corrélations angulaires et la cinématique des jets.
Traitement des incertitudes systématiques : Un traitement plus rigoureux des incertitudes systématiques, incluant le profilage discret des fonctions de forme du fond et une validation détaillée des modèles de signal.

Résultats
L'ajustement simultané des 13 catégories d'événements donne les résultats suivants pour une masse du boson de Higgs de 125,38 GeV :

Intensité du signal ( $\mu$ ) : L'intensité du signal observée, définie comme le rapport entre la section efficace multipliée par la fraction de désintégration mesurée et la prédiction du SM, est $\mu = 1,10^{+0,52}_{-0,61}$ . L'intensité du signal attendue est $1,00^{+0,49}_{-0,46}$ .
Significativité : La significativité observée (attendue) de l'excès de signal est de 1,9 (2,3) écarts-types.
Compatibilité : La valeur $p$ pour la compatibilité des 13 catégories séparées est de 0,75, indiquant aucune tension significative entre les catégories.
Répartition des incertitudes : L'incertitude totale est dominée par les limitations statistiques. L'incertitude systématique est relativement faible, la composante la plus importante provenant des incertitudes théoriques dans les calculs d'ordre fixe (contribution de 9 % à l'incertitude de l'intensité du signal).

Signification et affirmations
L'article affirme que cette analyse représente une amélioration significative de la sensibilité, avec une significativité attendue améliorée d'environ 50 % par rapport à une extrapolation de la précédente mesure CMS à la même luminosité. Le résultat est cohérent avec la prédiction du Modèle Standard ( $\mu = 1$ ). Bien que la significativité observée (1,9 $\sigma$ ) ne constitue pas une observation, l'analyse fournit les contraintes les plus strictes sur le taux de désintégration $H \to Z\gamma$ à ce jour en utilisant les ensembles de données combinés du Run 2 et du Run 3. L'auteur souligne que la mesure reste limitée statistiquement, mais que la méthodologie améliorée et le jeu de données plus large fournissent un cadre robuste pour les futures mesures de précision à mesure que le LHC accumule des données. Les résultats sont cohérents avec les combinaisons précédentes mais offrent une décomposition plus détaillée des canaux de production et une meilleure gestion des systématiques.

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