Sur l’observation des événements triHiggs au LHC et dans le futur HL-LHC

Peter Higgs et François Englert ont reçu le prix Nobel de physique en 2013 pour avoir proposé le champ de Higgs au potentiel V(Φ) = −m² Φ†Φ + je (Φ†Φ)², où Φ est un doublet scalaire complexe. À basse énergie, un boson de Higgs est prédit h régi par le potentiel effectif V(h) = ½ mₕ² h² + λₕₕₕ (1+K₃) v h³ + ¼ λₕₕₕₕ (1+K₄) h⁴, où mₕ ≅ 125 GeV est la masse du Higgs, v ≅ 246 GeV est l’énergie du vide du champ, λₕₕₕ = λₕₕₕₕ = ½ mₕ²/vet K₃ = K₄ = 0 pour le potentiel de Higgs. En principe, l’observation des événements diHiggs (HH) permettra d’estimer K₃ et celui du triHiggs (HHH) K₃ et K₄. Malheureusement, le LHC et le futur HL-LHC ne pourront observer que les événements diHiggs, dont la section efficace à 14 TeV cm est aussi faible que σₕₕₕ ≅ 0,05 fb (valeur à comparer avec σₕₕ ≅ 38 fb). En fait, l’estimation actuelle d’ATLAS est K₃ ∈ [−0.4, 6.3] à 95 % CL, et la combinaison ATLAS+CMS est K₃ ∈ [0.1, 2.3] à 95 % CL. Un rapport technique vient d’être publié sur arXiv (papier blanc) qui analyse la situation actuelle sur ce sujet. La conclusion la plus pertinente est que pour observer les événements triHiggs, il faudra attendre un futur collisionneur proton-proton à 100 TeV cm (on obtiendrait k₄ ∈ [−3, 13] à 95% CL après avoir accumulé 30 collisions ab⁻¹), ou vers une future usine Higgs. La Chine entend y parvenir, le deuxième avec le CEPC (Circular Electron-Positron Collider) de 100 km de circonférence, et le premier avec le SPPC (Super Proton-Proton Collider) qui utilisera le même tunnel (même s’il n’atteindra que 75 km de circonférence). TeV cm). La science du Higgs finira par se déplacer de l’Europe vers la Chine.

Comme vous pouvez le voir sur la figure, dans la théorie de Brout-Englert-Higgs, la particule de Higgs interagit avec un potentiel quartique (polynôme de degré quatre). Par conséquent, il le fait à travers des triples sommets hhh (un Higgs se désintègre en deux Higgs), les événements dits diHiggs, paramétrés par K₃, et à travers des quadruples sommets hhhh (un Higgs se désintègre en trois Higgs), les événements triHiggs paramétrés par K₄ ; il n’y a pas de sommets d’ordre supérieur (qui seraient paramétrés par K₅, K₆, etc.). Dans le modèle standard, il est prévu que K₃ = K₄ = 0, et qu’il n’y a pas de sommets d’ordre supérieur (K₅ = K₆ = ⋯ = 0). Il est curieux de penser que les physiciens théoriciens qui sont les pères de l’inflation cosmique n’ont pas encore reçu de prix Nobel car l’existence de modes B d’origine inflationniste dans la polarisation du fond diffus cosmologique n’a pas encore été observée, alors que le champ de Higgs les théoriciens le font sans confirmer si le potentiel du champ est quartique.

Si ce sujet vous intéresse, dont les fruits sont encore très lointains, je vous recommande d’apprécier Vuko Brigljevic, Dinko Ferencek, …, Rui Zhang, “HHH Whitepaper”, arXiv:2407.03015 [hep-ph] (03 juillet 2024), deux : https://doi.org/10.48550/arXiv.2407.03015.

La désintégration du Higgs la plus probable au LHC est une paire fond-antibas (h → bb). De même, dans les collisions proton-proton à 100 TeV cm, la désintégration la plus probable (19,5 %) dans un événement triHiggs se fait en trois paires fond-antifond, hhh → bbbbbb; désintégration en deux paires bb c’est moins probable, 6,5% avec une paire tau-antitau, hhh → bbbbbbtet 0,23 % à côté du triple sommet menant à une paire de photons, hhh → bbbbgg; comme la désintégration en une seule paire bbqui accompagné de deux paires de bosons L environ 0,9%, hhh → WWWWbb. Ceux qui connaissent la complexité des événements associés aux désintégrations du Higgs dans des paires de quarks bottom peuvent imaginer les difficultés que l’analyse desdites désintégrations dans les événements triHiggs entraînera dans un futur collisionneur à 100 TeV cm. En fait, les probabilités que j’indiquent. sont des approximations (les meilleures obtenues à ce jour), qui devront être améliorées dans les futures études théoriques.

La sensibilité aux événements triHiggs dans un collisionneur à 100 TeV cm est une question qui n’est pas urgente, mais qui sera nécessaire pour concevoir les futurs détecteurs. Sa résolution aux événements impliquant des photons et des leptons (qui ont permis la découverte du Higgs au LHC) devra être bien supérieure à celle d’ATLAS et de CMS. Le bruit de fond hadronique sera énorme, tout comme l’empilement des collisions. Avec un nombre raisonnable de collisions à 100 TeV, 30 ab⁻¹ = 30 000 fb⁻¹ sont attendus (rappelons que 3 ab⁻¹ = 3000 fb⁻¹ sont attendus à 14 TeV au HL-LHC), cela ne peut être que vérifié K₃ = K₄ = 0 à environ 2 sigma (bien que de futures avancées théoriques pourraient améliorer cette valeur, mais sans exagération), très loin du 5 sigma souhaité. De plus, ce résultat serait obtenu vers 2070, au plus tôt. Le chemin pour vérifier le potentiel du champ de Higgs sera très long et ne sera certainement pas achevé avant le siècle prochain. Sans aucun doute, le nouveau rapport technique sur les événements du triHiggs est un bain froid qui nous remet les pieds sur terre dans ce dossier brûlant.