En combinant les données des Run 2 et Run 3 du LHC pour la première fois, la Collaboration internationale ATLAS, à laquelle participent des physicien.nes d'IJCLab, repousse les limites sur la production de paires de bosons de Higgs. Ces résultats, publiés dans Physics Letters B à quelques semaines de la clôture du Run 3, ouvrent la voie vers la mesure directe de l'auto-couplage du boson de Higgs.
La découverte du boson de Higgs en 2012 au LHC a fourni la pièce manquante du Modèle Standard. Depuis, les couplages de cette particule aux fermions et aux bosons vecteurs ont été mesurés avec une précision croissante. L'auto-couplage du Higgs, lui, reste à déterminer directement. Ce paramètre est lié à la forme du potentiel de Higgs. Il conditionne la nature exacte de la brisure de symétrie électrofaible, mécanisme à l'origine de la masse des particules élémentaires. La seule voie expérimentale directe vers cet auto-couplage est la production simultanée de deux bosons de Higgs.
ATLAS a étudié l'un des canaux de désintégration « dorés » de cette paire. L'un des deux bosons se désintègre en deux photons, l'autre en une paire de quarks bottom. Ce canal HH→bbγγ offre un compromis favorable entre taux de signal et clarté de la signature expérimentale. Il est néanmoins particulièrement exigeant : la production di-Higgs ne se produit qu'environ une fois sur mille milliards de collisions proton-proton. Des processus du Modèle Standard produisant un état final similaire constituent en outre un bruit de fond important. Pour les discriminer, les physicien.nes d'ATLAS ont eu recours à des algorithmes d'apprentissage automatique.
Les chercheur.se.s ont analysé l'ensemble des données du Run 2 (2015-2018) ainsi que les données partielles du Run 3 (2022-2024). C'est la première mesure d'ATLAS reposant sur plus de 300 femtobarns inverses (fb⁻¹) de collisions proton-proton. Les limites ainsi établies sur la section efficace de production de di-Higgs sont comparables à celles obtenues en combinant toutes les analyses di-Higgs d'ATLAS fondées sur les seules données du Run 2. La sensibilité actuelle correspond à environ un écart-type.
L'achèvement du Run 3, prévu le 29 juin 2026, devrait augmenter le volume de données d'un facteur 1,5. Une mise en évidence de la production di-Higgs, dépassant le seuil de trois écarts-types, pourrait être atteinte dans les prochaines années en combinant plusieurs canaux de désintégration et les résultats des collaborations ATLAS et CMS. L'ère du LHC à haute luminosité, attendue à partir de 2030, ouvrira ensuite les conditions nécessaires à une mesure précise de l'auto-couplage du boson de Higgs.
Référence : Phys. Lett. B 876 (2026) 140280