⚛️ high-energy experiments

Constraints on the Higgs boson total width from on-shell signal-background interference in the $H\to\gamma\gamma$ decay channel with $pp$ collisions at $\sqrt{s}=13$ TeV with the ATLAS detector

En utilisant 140 fb $^{-1}$ de données de collisions proton-proton à 13 TeV provenant du détecteur ATLAS, cette étude rapporte une mesure directe, indépendante du modèle, de la largeur totale du boson de Higgs via l'interférence signal-fond de $H\to\gamma\gamma$ , établissant une limite supérieure observée de 307 MeV à un niveau de confiance de 95 %.

Auteurs originaux : ATLAS Collaboration

Publié 2026-09-18

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CC BY 4.0

Auteurs originaux : ATLAS Collaboration

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Au cœur du monde subatomique, une particule connue sous le nom de boson de Higgs joue un rôle unique. Découvert en 2012, il est la manifestation physique d'un champ qui donne leur masse aux autres particules fondamentales. Bien que les scientifiques aient passé plus d'une décennie à mesurer comment cette particule interagit avec les autres, l'une de ses propriétés les plus basiques reste insaisissable : sa largeur de désintégration totale. Dans le langage de la physique des particules, cette largeur représente la somme de toutes les manières dont le boson de Higgs peut se briser en d'autres particules. Selon le Modèle Standard, la théorie dominante de la physique, le boson de Higgs devrait se désintégrer de manières très spécifiques et prévisibles, résultant en une largeur totale de seulement 4,1 millions d'électronvolts. Cependant, si le boson de Higgs cache un secret — peut-être en se désintégrant en particules invisibles que nos détecteurs ne peuvent voir — cette largeur totale serait plus grande. Mesurer cette largeur est donc un test direct pour savoir si le boson de Higgs correspond parfaitement au Modèle Standard ou s'il est une porte d'entrée vers une nouvelle physique encore inconnue.

Le défi pour mesurer cette largeur réside dans le fait que le boson de Higgs est incroyablement éphémère. Il existe pendant un instant si fugace que sa largeur naturelle est bien trop étroite pour être vue directement, même par les détecteurs les plus puissants. C'est comme essayer de mesurer l'épaisseur d'un cheveu en regardant une photographie floue d'un train à grande vitesse ; le flou de la mesure est des milliers de fois plus large que l'objet lui-même. Pendant des années, les physiciens ont tenté d'inférer la largeur indirectement en comparant la fréquence à laquelle le boson de Higgs apparaît à sa masse normale par rapport à la fréquence à laquelle il apparaît à des énergies beaucoup plus hautes et plus rares. Cette méthode fonctionne, mais elle repose sur l'hypothèse que le boson de Higgs se comporte exactement de la même manière à haute énergie qu'à énergie normale. Si cette hypothèse est erronée, la mesure pourrait être trompeuse.

Une équipe de physiciens travaillant avec le détecteur ATLAS du Grand Collisionneur de Hadrons (LHC) a maintenant adopté une approche différente, qui ne nécessite pas de telles hypothèses. Ils se sont concentrés sur un effet spécifique et subtil qui se produit lorsque le boson de Higgs se désintègre en deux photons. Dans le monde quantique, les particules peuvent se comporter comme des ondes. Lorsque le boson de Higgs est créé et se désintègre immédiatement en deux photons, il produit une onde qui chevauche les ondes de fond des photons créés par d'autres processus non liés au Higgs. Tout comme deux ondes sonores peuvent interférer pour créer un son plus fort ou plus faible, ces ondes de particules interfèrent entre elles. Cette interférence déforme la forme de la distribution de masse des deux photons, décalant légèrement le pic du signal sur un côté. La taille de ce décalage dépend directement de la largeur totale du Higgs. En étudiant cette distorsion, les chercheurs peuvent mesurer la largeur sans avoir besoin de deviner comment la particule se comporte à différentes énergies.

En utilisant les données des collisions de protons enregistrées entre 2015 et 2018, l'équipe a analysé plus de 140 femtobarns inverses d'événements de collision. Cet ensemble de données massif leur a permis d'examiner la distribution des paires de photons avec une précision extrême. Ils ont divisé les données en deux groupes basés sur l'impulsion des paires de photons, une technique qui aide à isoler l'effet d'interférence. Les chercheurs ont ensuite comparé les données réelles à des simulations informatiques qui modélisaient l'aspect de la distribution si le boson de Higgs avait des largeurs différentes. Ils ont constaté que les données étaient cohérentes avec la prédiction du Modèle Standard, ne montrant aucune preuve d'un mode de désintégration invisible caché qui aurait élargi la largeur.

L'étude a établi une nouvelle limite sur la largeur totale du boson de Higgs. Les chercheurs ont conclu que la largeur est inférieure à 307 millions d'électronvolts avec un niveau de confiance de 95 %. Cela signifie que si la largeur était plus grande, la distorsion dans les données de photons aurait été trop évidente pour passer inaperçue. La limite attendue, basée sur ce que l'expérience aurait dû être capable de voir si les données étaient parfaites, était de 258 millions d'électronvolts. Bien que ces chiffres soient encore environ 75 fois plus grands que la prédiction du Modèle Standard de 4,1 millions d'électronvolts, la mesure est significative car il s'agit d'une observation directe « on-shell » qui ne dépend pas des hypothèses théoriques sur les couplages de la particule. Elle offre un moyen complémentaire de vérifier les propriétés du boson de Higgs, indépendamment des méthodes utilisées dans les études précédentes.

La précision de ce résultat est actuellement limitée par les incertitudes des calculs théoriques de l'effet d'interférence et de la masse exacte du boson de Higgs. Les chercheurs ont noté que la plus grande source d'incertitude provient du côté théorique, plus précisément du calcul du comportement de l'interférence. Cela suggère que les améliorations futures de la physique théorique seront tout aussi importantes que la collecte de nouvelles données. Malgré les limites actuelles, la méthode elle-même est un triomphe. Elle prouve que les scientifiques peuvent utiliser l'interférence subtile des ondes quantiques pour mesurer une propriété qui est autrement cachée par les limites de la résolution expérimentale. Cela ouvre une nouvelle voie pour tester le Modèle Standard, offrant un moyen de rechercher une nouvelle physique qui ne dépend pas des mêmes hypothèses que les autres techniques.

Les conclusions confirment que, dans les limites actuelles de mesure, le boson de Higgs se comporte comme le prédit le Modèle Standard. Il n'y a aucun signe de sa désintégration en particules invisibles ou en d'autres états exotiques qui auraient élargi sa largeur de désintégration totale. Bien que la mesure ne soit pas encore assez précise pour exclure toutes les nouvelles physiques possibles, elle établit une contrainte robuste et sans hypothèse. À mesure que les calculs théoriques s'amélioreront et que davantage de données seront collectées, cette technique deviendra encore plus puissante, pouvant potentiellement révéler les premières fissures du Modèle Standard ou confirmer sa résilience avec une clarté sans précédent. Pour l'instant, le boson de Higgs reste un mystère dans le sens où sa largeur n'est pas encore mesurée avec la précision d'une règle, mais l'ombre qu'il projette sur le paysage quantique a été cartographiée avec une nouvelle sorte de lumière.

Résumé technique : Contraintes sur la largeur totale du boson de Higgs à partir de l'interférence signal-fond sur l'en-ressort dans le canal de désintégration $H \to \gamma\gamma$

Énoncé du problème
La largeur de désintégration totale du boson de Higgs, $\Gamma_H$ , est un paramètre fondamental représentant la somme de toutes ses largeurs de désintégration partielles. Dans le Modèle Standard (MS), $\Gamma_H$ est prédite à environ 4,1 MeV pour une masse du Higgs de 125 GeV. Toute désintégration vers des particules au-delà du MS, particulièrement des particules invisibles ou indétectables, augmenterait $\Gamma_H$ au-dessus de cette prédiction. La mesure directe de $\Gamma_H$ est difficile car la largeur naturelle est deux à trois ordres de grandeur plus petite que la résolution expérimentale ( $\mathcal{O}(1\text{--}3)$ GeV) dans les canaux diphoton ( $H \to \gamma\gamma$ ) et quatre leptons. Par conséquent, la largeur ne peut pas être résolue directement à partir de la forme de la raie reconstruite.

Les contraintes indirectes précédentes reposaient sur la comparaison des taux de production sur l'en-ressort (proche du pic de masse) et hors de l'en-ressort (bien au-dessus du pic) dans les canaux $H \to ZZ$ et $H \to WW$ . Cependant, ces mesures indirectes reposent sur l'hypothèse que les couplages du boson de Higgs avec les gluons et les bosons vectoriels sont identiques dans les régimes sur l'en-ressort et hors de l'en-ressort. Cet article répond au besoin d'une mesure directe sur l'en-ressort qui ne dépend pas de telles hypothèses de couplage, fournissant ainsi une sonde complémentaire sensible aux éventuelles désintégrations BSM (au-delà du Modèle Standard).

Méthodologie
Cette analyse utilise l'ensemble complet des données du Run 2 des collisions proton-proton à $\sqrt{s} = 13$ TeV collectées par le détecteur ATLAS, correspondant à une luminosité intégrée de $140,1 \pm 1,2 \text{ fb}^{-1}$ . La mesure exploite l'interférence quantique entre l'amplitude résonante $gg \to H \to \gamma\gamma$ et le fond non résonant $gg \to \gamma\gamma$ .

Mécanisme d'interférence : Le terme d'interférence déforme la distribution de la masse invariante diphoton ( $m_{\gamma\gamma}$ ). Il introduit une composante antisymétrique qui déplace la position du pic apparent vers des masses plus basses (environ $-70$ MeV pour la largeur du MS) et une composante symétrique qui réduit le rendement global du signal (environ $-1,7\%$ ). Les deux effets évoluent en fonction de $\sqrt{\Gamma_H}$ .
Sélection et catégorisation des événements : Les événements sont sélectionnés avec deux candidats photons satisfaisant des critères d'identification et d'isolement stricts. L'ensemble de données est divisé en deux catégories mutuellement exclusives basées sur l'impulsion transverse du diphoton ( $p_T^{\gamma\gamma}$ $p_{T}^{γ γ}$ ) :
- Faible- $p_T^{\gamma\gamma}$ : $p_T^{\gamma\gamma} < 30$ GeV (où la contribution de l'interférence est la plus importante).
- Haut- $p_T^{\gamma\gamma}$ : $p_T^{\gamma\gamma} \ge 30$ GeV.
  Une catégorisation plus fine est évitée en raison des limitations de la modélisation théorique de l'interférence à des $p_T$ plus élevés et de la précision LO (ordre linéaire) du spectre de $p_T$ dans la simulation.
Modèle statistique : Un ajustement de maximum de vraisemblance simultané est effectué sur les distributions de $m_{\gamma\gamma}$ $m_{γ γ}$ dans les deux catégories.
- Signal : Modélisé par une fonction Double-Sided Crystal Ball (DSCB).
- Interférence : Modélisée à l'aide d'une procédure analytique dédiée pour gérer les poids négatifs, construite à partir de fonctions DSCB asymétriques ajustées aux sous-ensembles d'événements simulés à poids positif et négatif.
- Fond : Décrit par un polynôme de second ordre exponentié, avec des paramètres déterminés à partir des données.
Incertitudes systématiques : Les incertitudes clés incluent la contrainte externe sur la masse du boson de Higgs ( $m_H$ ) issue du canal $H \to ZZ^* \to 4\ell$ , l'échelle d'énergie et la résolution des photons, ainsi que les incertitudes théoriques dans la normalisation de l'interférence $gg$ (spécifiquement le facteur $K$ ). Le paramètre de force du signal $\mu$ est profilé pour garantir que la mesure est indépendante des hypothèses de couplage du Higgs.

Résultats clés
L'analyse produit les contraintes suivantes sur la largeur totale du boson de Higgs à un niveau de confiance (CL) de 95 % :

Limite observée : $\Gamma_H < 307$ MeV.
Limite attendue : $\Gamma_H < 258$ MeV.
Comparaison au MS : Ces limites correspondent à environ 75 (observées) et 63 (attendues) fois la prédiction du MS de 4,1 MeV.
Valeur de meilleur ajustement : $\hat{\Gamma}_H = 13^{+75}_{-13}$ MeV, ce qui est cohérent avec la prédiction du MS.
Sensibilité statistique : En ne considérant que les incertitudes statistiques, la limite supérieure observée (attendue) s'améliore à 105 (87) MeV, soit environ 26 (21) fois la largeur du MS.

La mesure est dominée par les incertitudes systématiques. La plus grande contribution provient de l'incertitude théorique dans la normalisation de l'interférence $gg $($ K_I$), contribuant à hauteur de 49 MeV à l'incertitude au CL de 68 %. La contrainte externe sur la masse du Higgs est la deuxième contribution la plus importante (43 MeV).

Signification et affirmations
L'article affirme que cette mesure constitue une nouvelle contrainte directe sur l'en-ressort de la largeur totale du boson de Higgs. Sa principale signification réside dans son indépendance vis-à-vis des hypothèses théoriques concernant l'égalité des couplages sur l'en-ressort et hors de l'en-ressort, qui sont requises pour les mesures indirectes hors de l'en-ressort. En se basant uniquement sur la déformation de la raie $m_{\gamma\gamma}$ induite par l'interférence, cette approche offre une sonde complémentaire aux déterminations hors de l'en-ressort.

Bien que la sensibilité soit environ 30 fois plus faible que les déterminations hors de l'en-ressort les plus précises, l'article souligne que les deux approches ont des sensibilités différentes à la nouvelle physique. La méthode directe sur l'en-ressort est particulièrement sensible aux désintégrations en nouvelles particules qui augmenteraient la largeur totale sans nécessairement altérer les couplages supposés dans les extrapolations hors de l'en-ressort. L'auteur note que les améliorations futures de la précision de cette mesure dépendront de calculs théoriques d'ordre supérieur de l'interférence, spécifiquement l'appariement aux cascades de partons (parton showers), et de la réduction des incertitudes expérimentales.

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