Observation du boson de Higgs en association avec une paire de quarks top (ttH)

Depuis la découverte du boson de Higgs au CERN en 2012, aucun signe de nouvelle physique n’a été mis en évidence. C’est donc désormais la mesure des propriétés du boson de Higgs qui tient en haleine une grande partie de la communauté des physiciens sur accélérateur. L’un des aspects les plus ambitieux de cette recherche est la mesure de l’interaction du boson de Higgs avec les autres particules, ce qu’on appelle ses « couplages ». Ceux-ci étant entièrement déterminés par la théorie du Modèle Standard, une déviation de leur mesure par rapport aux prédictions signerait l’existence de nouvelle physique.

                  Le couplage du boson de Higgs aux fermions est proportionnel à leur masse, le quark top est donc la particule élémentaire avec le couplage le plus fort. C’est d’ailleurs ce couplage au top qui permet le mode de production dominant du boson de Higgs au LHC via la fusion de deux gluons (voir Figure 1a avec le diagramme de Feynman ainsi que celui ttH). La mesure directe du couplage entre le boson de Higgs et le quark top est possible en utilisant le processus de production du boson de Higgs en association avec une paire de quarks tops notée ttH (voir Figure 1b). Or cette production est très rare et n’a pas été mise en évidence dans la première phase de prise de données du LHC (run 1).

Figure 1 a - b

Production du boson de Higgs par fusion de gluons (gauche) et production du boson de Higgs associé avec une paire de quark top (droite).

                  Selon le mode de désintégration du boson de Higgs, il existe trois états finaux dans lesquels le processus ttH peut être recherché  : deux photons (H → γγ), deux quarks beaux (H → bb) et enfin un état final multileptons via la désintégration du boson de Higgs en paire de Z ou W ou leptons tau (H → WW, ZZ, tt), ces particules se désintégrant à leur tour en leptons. Le canal multileptons, sur lequel travaille une équipe du LPSC, est le canal dominant qui a permis de mettre en évidence* (4.2 σ) la production de ttH au LHC à l’été 2017 avec les données des deux premières années (2015 et 2016) de la 2^ème phase de prise de données du LHC, dite run 2 [Phys. Rev. D 97 p. 072003].

                  Le 4 juin 2018, la collaboration ATLAS a rendu publique une analyse dans laquelle les états finaux de plus petite probabilité de production, ttH, H → ZZ → 4 leptons et ttH, H → γγ, ont été mis à jour avec les données du run 2. Grâce à la combinaison de ces analyses améliorées avec les autres états finaux, ATLAS vient d’annoncer l’observation* (à 6.3 σ) de la production du boson de Higgs en association avec une paire de quarks top [CERN-EP-2018-138, arXiv :1806.00425] (voir Figure 2).

                  L’avenir de l’étude du processus ttH passe désormais par l’étude des états finaux individuels. Le LPSC est impliqué dans l’un des canaux multileptons, avec deux électrons ou muons de même signe et un tau (2ℓSS+τ_had). Il s’agit du canal présentant la plus haute intensité de signal mesurée, plus de trois fois celle prédite par le Modèle Standard (voir Figure 3) ! Il est donc primordial de mettre à jour cette analyse avec les données additionnelles collectées pour savoir si cet excès est une fluctuation statistique ou une déviation significative par rapport à la prédiction du Modèle Standard.

Note : [*] En physique des particules, l’annonce d’une évidence ou d’une observation correspond à une mesure statistique de la probabilité d’observer un signal alors qu’il n’y en a pas. Pour l’observation cela correspond à une probabilité plus faible que 3 pour 10 millions (1 pour 1000 pour l’évidence) c’est à dire, pour un processus gaussien, de se trouver au-delà de 5 déviations standards ou 5σ (3σ pour l’évidence).

Figure 2 (gauche): Distribution de la masse invariante m_γγ des deux photons dans l’analyse ttH, H → γγ 80 fb^-1. Ici également les événements sont pondérés par leur probabilité relative d’être du signal au du bruit de fond. L’état final γγ représente l’avantage de rendre possible la reconstruction d’un pic de masse invariante. Figure 3 (droite): Intensité du signal mesurée dans tous les canaux multileptons. Le canal 2ℓSS+τ_had étudié au LPSC, compte plus de trois fois le nombre d’événements Higgs attendus. La mise à jour de l’analyse avec 80 fb^-1 est en cours.

Contact: M. Kuna

Théorie et expérience en Axion

Du 14 au 16 mai s'est tenue au LPSC la rencontre internationale The strong CP puzzle and axions qui a réuni une cinquantaine de participants, théoriciens et expérimentateurs.
L'axion est une particule hypothétique inventée pour expliquer pourquoi l'interaction forte respecte la symétrie matière/antimatière, et qui pourrait aussi constituer la matière noire de l'Univers.
Ce workshop a été l'occasion de faire un tour d'horizon des modèles théoriques récemment proposés, ainsi que des programmes expérimentaux associés pour rechercher cette particule.

STEREO puts pressure on a 4th neutrino

The STEREO experiment just released its first physics results at the last “Rencontres de Moriond” conference[1]. A significant part of the most likely parameter space for a hypothetical 4^th neutrino is now excluded.

Neutrinos are notoriously hard-to-detect elementary particles. They are produced in the core of stars, at particle accelerators, in very high energy phenomena or – as in STEREO – in nuclear reactor cores. Neutrinos do not carry any electric charge and only rarely do they interact with matter. Nowadays, we know of three types: electron neutrinos, muon neutrinos and tau neutrinos. The 20-year old astonishing discovery that neutrinos change type while travelling was awarded the 2015 Nobel Prize.

Are there more than 3 neutrinos? This question was revived in 2011, when researchers noticed that two so far unexplained experimental results could be reconciled if a 4^th neutrino existed[2] . With a mass of about 1 eV, this hypothetical particle known as “sterile” neutrino would be heavier than the 3 known neutrino types. Several experiments were designed, among which STEREO, to test the existence of this hypothetical 4^th neutrino, and are currently under way.

STEREO is a French-German experiment designed for this goal, measuring very precisely the rates and energy profiles of the neutrinos generated by the nuclear reactor of the Institut Laue-Langevin (ILL) in Grenoble, France. The experiment was devised and is being operated by a team of scientists from Irfu-CEA in Saclay, the Institut Laue-Langevin in Grenoble, the Annecy’s Particle Physics Laboratory (LAPP), the Grenoble’s Subatomic Physics and Cosmology Laboratory (LPSC) and the Max-Planck-Institut für Kernphysik in Heidelberg, Germany (MPIK).

The first results of the STEREO experiment presented at the Moriond conference exclude a significant part of the most likely parameter space expected for a hypothetical 4^th neutrino (see Figure below). A 4 times larger data sample expected by the end of 2019 will help to further clarify the case together with other expected results from complementary projects. Thanks to the highly enriched uranium fuel in the ILL core, STEREO will also provide a new benchmark for the neutrino spectrum produced by the fission of ²³⁵U, of utmost importance for many other reactor neutrino experiments.

Figure: The plot shows the possible values of the 4^th neutrino parameters, and the values which are now excluded by STEREO. The vertical axis is related to the new neutrino’s mass and oscillation frequency, whereas the horizontal axis corresponds to its oscillation amplitude. The black lines represent the values favoured by previous experimental hints, the star being the most likely point. The green and red areas have now been rejected with 90 and 95% certainty, respectively, as they are incompatible with STEREO’s data. The blue area represents the ideal rejection expected from the available statistical precision.

[1] 53rd Rencontres de Moriond Electroweak session https://indico.in2p3.fr/event/16579/

[2] G. Mention et al, Phys. Rev. D83 (2011) 073006.

Première cartographie SZ d’un amas de galaxies avec NIKA2

L’avènement de la camera NIKA2 au télescope de 30 mètres de l’IRAM (Grenade, Espagne) constitue une opportunité unique pour l’observation d’amas de galaxies par effet Sunyaev Zel’dovich (SZ), grâce à ses deux bandes de fréquence (150 et 260 GHz), sa grande sensibilité, son excellente résolution angulaire et son grand champ de vue.

En avril 2017, la collaboration NIKA2 a observé un premier amas faisant partie de l’échantillon du grand programme d’observation SZ. Il s’agit de l’amas PSZ2 G144.83+25.11 à un redshift z=0,58 observé pendant 11 heures avec des conditions atmosphériques relativement mauvaises. Les excellentes performances de la caméra NIKA2 (R. Adam et al., A&A 2018) ont néanmoins permis d’obtenir des résultats de premier plan.

La carte NIKA2 obtenue à 150 GHz (cf. figure) met en évidence un amas cartographié à haute résolution (plus de 20 fois mieux que Planck) et avec un fort signal sur bruit jusque dans les régions périphériques. Le résultat est comparable à la carte du milieu intras-amas obtenue en rayons X par le satellite XMM-Newton, ce qui ce qui facilite les analyses jointes SZ/X. En particulier, l’observation faite avec NIKA2 permet d’identifier une région de surpression dans l’amas et une source ponctuelle submillimétrique, qui peuvent donc être prises en compte dans l’analyse.

Les données NIKA2 ont été utilisées conjointement avec les données SZ obtenues par d’autres expériences opérant dans le millimétriques (MUSTANG, Bolocam et Planck), afin d'établir de manière non paramétrique le profil de pression, depuis le centre de l’amas jusqu'à sa périphérie. Nous avons pu montrer que la zone de surpression avait un impact notable sur la valeur du paramètre de Compton intégré (65%) et sur celle de la masse de l’amas (79%). Ces deux paramètres sont essentiels pour l’utilisation cosmologique des grands catalogues d’amas. Ainsi, les résultats obtenus dans cet article soulignent l’importance du grand programme SZ de NIKA2 pour la caractérisation de la dispersion de la relation d'échelle SZ-masse et donc pour la cosmologie avec des amas.

Le grand programme d’observation SZ de NIKA2 bénéficie de 300 heures d’observation accordées par l’IRAM dans le cadre du temps garanti attribué à la collaboration NIKA2. L'objectif est d’étalonner en masse un échantillon représentatif constitué de 50 amas de galaxies sélectionnés en SZ (catalogues Planck et ACT) à un décalage vers le rouge moyen à élevé (0,5 <z <1) et couvrant un ordre de grandeur en masse. L’observation des amas de cet échantillon permettra de mener une étude complète de la morphologie et de l'évolution des amas. De plus, ces données seront combinées aux données X du satellite XMM-Newton afin d’étudier les profils thermodynamiques radiaux (densité, pression, masse, température, entropie). Ces derniers sont essentiels pour une compréhension complète de la relation observable-masse des amas de galaxies qui permettra in fine d'exploiter les grands relevés d’amas pour contraindre la cosmologie

Plus d’informations :

First Sunyaev-Zel'dovich mapping with NIKA2: implication of cluster substructures on the pressure profile and mass estimate, F. Ruppin, F. Mayet, G. W. Pratt et al., accepté dans Astron. and Astrophys., arXiv:1712.09587

Contact : This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it.

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Le groupe NIKA2 du LPSC a bénéficié des compétences des services techniques et administratifs du laboratoire. Cette activité est financée notamment par l’ANR avec le projet NIKA2Sky (ANR-15-CE31-0017 et http://lpsc.in2p3.fr/NIKA2Sky), le projet ANR-12-BS05-0007 project (2013-2015) et le Labex Enigmass.

Le grand programme d’observations SZ de NIKA2 (http://lpsc.in2p3.fr/NIKA2LPSZ/) regroupe 10 instituts européens dont l’IN2P3, l’INSU et le CEA au niveau français.