Le boson de Higgs est la seule particule prédite par le modèle

Recherche du boson de Higgs du modèle standard dans l’expérience CMS au LHC avec
les données 2010 et 2011
CERN, 13 décembre 2011
Le boson de Higgs est la seule particule prédite par le modèle standard (SM) de la
physique des particules à n’avoir pas été observée expérimentalement. Son observation
serait une étape majeure dans notre compréhension du mécanisme par lequel les
particules acquièrent une masse. Inversement, l’absence d’observation du boson de Higgs
prédit par le SM au LHC serait très significative et conduirait à porter une plus grande
attention aux théories alternatives qui s’étendent au-delà du SM avec des particules
associées de type Higgs.
La collaboration CMS a présenté aujourd’hui ses derniers résultats concernant la
recherche du boson de Higgs, sur la base de l'échantillon entier des données de collisions
proton-proton recueillies jusqu'à la fin de 2011. Ces données correspondent à une
luminosité intégrée de 4,7 fb-1 [REF: FB], ce qui signifie que CMS est en mesure d’étudier
la production de Higgs sur la presque totalité de la gamme admise au-dessus de la limite
de 114 GeV/c2 établie au CERN avec le grand collisionneur électron-positron du LEP (ou
114 GeV en unités naturelles [REF: GEV]), jusqu’à 600 GeV. Nos résultats ont été obtenus
en combinant la recherche dans un certain nombre de « canaux de désintégrations »
prédits pour le boson de Higgs, y compris: en paires de bosons W ou Z, qui se désintègrent
à quatre leptons; en paires de quarks lourds; en paires de leptons tau et en paires de
photons (figure 1).
Figure 1 : Un événement candidat typique, avec deux photons de haute énergie (celle-ci
étant représentée par des tours en rouge) mesurée dans le calorimètre électromagnétique
de l’expérience CMS. Les lignes jaunes montrent les traces mesurées pour les autres
particules produites dans la collision.
Nos résultats préliminaires, établis à divers niveaux de confiance statistique [REF: CL],
excluent l'existence du boson de Higgs du SM dans une large plage de masse


127 à 600 GeV à 95% de niveau de confiance, comme le montre la figure 2a;
128 à 525 GeV à 99% de niveau de confiance.
Une valeur de masse donnée est dite "exclue au niveau de confiance de 95%" si le boson de
Higgs du modèle standard à cette masse donnait un signal plus important que celui
observé dans nos données, pour au moins 95% des cas dans une série d'expériences
répétées.
Figure 2a : Limite d'exclusion en fonction de la masse du boson de Higgs du modèle
standard à 95% de niveau de confiance (en dessous de la ligne rouge). L'analyse est basée
sur 4,7 fb-1 de données proton-proton recueillies par CMS en 2010 et 2011, à l’exclusion
des périodes de prise de données pendant lesquelles certaines portions du détecteur ne
fonctionnaient pas de manière optimale. Les bandes hachurées montrent les régions de
masse auparavant exclues par le LEP, le Tevatron du Fermilab, et maintenant par
l’expérience CMS. La ligne en pointillés et les bandes vertes et jaunes indiquent la
sensibilité moyenne attendue par CMS pour la quantité de données actuellement
analysées.
Nous n'excluons pas un boson de Higgs du SM avec une masse comprise entre 115 GeV et
127 GeV, à 95% de niveau de confiance. Comparativement aux prédictions du SM, il y a un
excès d’événements dans cette plage de masse (voir Figure 2b) qui apparaît, de manière
assez cohérente, dans cinq canaux indépendants.
Figure 2b : Limite d'exclusion du boson de Higgs dans le SM à 95% de niveau de confiance,
pour 4,7 fb-1 de données proton-proton recueillies et certifiées par CMS en 2010 et 2011,
et montrant la région de basse masse.
Avec la quantité de données recueillies jusqu'à présent, il est intrinsèquement difficile de
distinguer entre les deux hypothèses de l'existence ou de la non-existence d'un signal du
boson de Higgs dans cette région de faible masse. L'excédent d'événements observés
pourrait être une fluctuation statistique des processus de bruit de fond connus, que ce soit
avec ou sans la présence du boson de Higgs dans ce domaine de masse. L’échantillon de
données plus important qui sera recueilli en 2012 réduira les incertitudes statistiques, ce
qui nous permettra d’affirmer ou d’infirmer de façon claire l’existence du boson de Higgs
dans cette région de masse.
L'excédent est compatible avec une hypothèse d’un boson de Higgs du SM principalement
dans le voisinage de 124 GeV et en-dessous, mais avec une signification statistique de
moins de 2 écarts standard (2σ) par rapport aux attendus du bruit de fond connu, une fois
pris en compte le « look-elsewhere effect » [REF: LEE]. Ceci est bien en-dessous du seuil de
signification permettant d’être assuré qu’un excès résistera à l’épreuve du temps.
Si nous explorons l'hypothèse que les excès que nous observons pourraient être le premier
indice de la présence du boson de Higgs prédit par la théorie SM, nous constatons que le
taux de production («section efficace» σ par rapport à la prédiction du SM, σ / σSM) pour
chaque canal de désintégration est cohérent avec les attentes, avec toutefois de grandes
incertitudes. Toutefois, les faibles significations statistiques impliquent que ces excès
peuvent tout aussi raisonnablement être interprétés comme des fluctuations du bruit de
fond.
La collecte de données supplémentaires en 2012 aidera à déterminer l'origine de cet excès.
Références
[REF: FB] http://news.stanford.edu/news/2004/july21/femtobarn-721.html
[REF: GEV] L’électron-volt est une unité d’énergie. En physique des particules, où la masse
et l'énergie sont souvent interchangeables, il est de pratique commune d’utiliser eV/c 2
comme une unité de masse (via E = mc2, où c est la vitesse de la lumière dans le vide). On
utilise encore plus couramment un système d'unités naturelles avec c fixée à 1 (donc E =
m), eV étant alors utilisé comme unité de masse.
[REF: CL]
Le niveau de confiance est une mesure statistique du nombre de fois sur 100 où des
résultats de mesures peuvent être attendus à l'intérieur d'un intervalle spécifié. Par
exemple, un niveau de confiance de 95% signifie que le résultat d'une action répondra aux
prédictions dans 95% des occurrences.
(Source: NADbank)
[REF: LEE] http://cms.web.cern.ch/news/should-you-get-excited-your-data-let-lookelsewhere-effect-decide