Modes de production du boson de Higgs

Il est intéressant de savoir comment le boson de Higgs est produit parmi les 800 millions de collisions par seconde prévues au LHC. Le boson de Higgs n'apparaîtra que dans une collision sur 70 000 milliards, soit une fois toutes les 90 s. Les cinq principaux modes de production du boson de Higgs (H) au LHC sont: [DEN95]

• le processus par fusion de gluons: $gg \rightarrow H$ donnant une boucle de quark (figure ).

  Figure: Production du boson de Higgs par la fusion des gluons au premier ordre.

  
  
  
  

• le processus par fusion des bosons $W^{\pm}$ et $Z^0$ (figure ) :
  $q q \rightarrow qq W^{\pm(\star)} W^{\pm(\star)} \rightarrow qqH$
  et/ou $q q \rightarrow qq Z^{0(\star)} Z^{0(\star)} \rightarrow qqH$
  où $Z^{\star}$ représente un boson virtuel de $Z$ hors de sa couche de masse.

  
  
  

  Figure: Production du boson de Higgs par la fusion des bosons $W^{\pm}$ et $Z^0$ au premier ordre.

  
  
  
  

• le processus de production associée avec une paire $q \bar{q}$, $q\bar{q} \rightarrow H q \bar{q}$ où les quarks de l'état initial sont majoritairement légers (figure ).

  
  
  

  Figure: Production du boson de Higgs en association avec $q \bar{q}$ au premier ordre (les quarks légers).

  
  
  
  

• le processus de production associée avec une paire $q \bar{q}$, $gg \rightarrow H q \bar{q}$ produit majoritairement des quarks lourds (figure ).

  
  
  

  Figure: Production du boson de Higgs en association avec $q \bar{q}$ au premier ordre (quarks lourds).

  
  
  
  

• le processus de production associée avec $W^{\pm}$, $Z^0$(figure ) :
  $q\bar{q} \rightarrow W^{\pm\star} \rightarrow W^{\pm} H$
  et/ou $q\bar{q} \rightarrow Z^{0\star} \rightarrow Z^0 H$.

  
  
  

  Figure: Production du boson de Higgs en association avec $W^{\pm}$, $Z^0$ au premier ordre.

  
  
  
  

Le processus par fusion de gluons: $gg \rightarrow H$ est le mode dominant jusqu'à environ 1 TeV (figure ) et sa section efficace au premier ordre est plus importante que la section efficace du processus de production en association avec un boson de jauge $W^{\pm}$, $Z^0$ de deux ordres de grandeur pour une masse $M_H = 200$ GeV. Malgré cela, ce processus est à considérer dans la région de masse intermédiaire grâce à la présence d'un W ou d'un Z associé et identifié (l'étiquetage ou le "tagging") plus facilement détectable.

Figure: Section efficace de production du boson de Higgs au premier ordre.

Figure: description of my figure

Figure: Section efficace de production du boson de Higgs au premier ordre.

Figure: Section efficace de production du boson de Higgs au premier ordre.

Figure: Section efficace de production du boson de Higgs au premier ordre.

Figure: Section efficace de production du boson de Higgs au premier ordre.

Figure: Section efficace de production du boson de Higgs au premier ordre.

Le mode de production du boson de Higgs par la fusion des bosons $W^{\pm}$ et $Z^0$ devient de plus en plus important par rapport au mode de production du boson de Higgs par la fusion des gluons au fur et à mesure que la masse du Higgs augmente, pour atteindre des sections efficaces similaires pour $m_H \simeq 1$ TeV. Ce processus mène à la signature très distinctive de 2 jets de particules émis à petit angle par rapport à l'axe du faisceau. La section efficace de la production du boson de Higgs avec une paire de $t\bar{t}$ (processus ) ou un boson $W^{\pm}$ ou $Z^0$ (processus ) est bien plus faible mais donne néanmoins des états finaux qui sont relativement faciles à extraire du bruit de fond$^($²$^)$ grâce à la signature supplémentaire provenant de la desintégration des particules accompagnantes.

Néanmoins, un calcul à l'ordre supérieur de la section efficace, c'est-à-dire en tenant compte des corrections QCD (ChromoDynamique Quantique), nous donne une section efficace environ 15 à 40 % plus importante [SPI97].