Modes de désintégration du boson de Higgs

Comme l'observation du boson de Higgs au LHC ne peut être directe, on étudie les modes de désintégration de ce boson. Les couplages du boson de Higgs aux fermions sont proportionnels à la masse des fermions tandis que les couplages du boson de Higgs aux bosons $W^{\pm}$ et $Z^0$ sont proportionnels au carré de la masse de ces derniers. Cette loi se reflète dans les rapports d'embranchement des différents canaux de désintégration en fonction de la masse du boson de Higgs ($M_{H}$) présentés sur la figure [GIA00].

Figure: Rapport d'embranchement des différents canaux de désintégration du boson de Higgs.

Les événements complètement hadroniques sont les états finaux les plus souvent issus de la production et de le désintégration d'un boson de Higgs du modèle standard, mais ce sont des canaux avec d'importants bruits de fond. On leur préfére les canaux avec les leptons et des photons même avec un rapport d'embranchement bien plus faible.

Les modes les plus facilement détectables peuvent être résumés de la façon suivante: [SPI98]

• $M_{H} < 130$ $GeV/c^2$ : $H \rightarrow \gamma \gamma$
  Malgré un faible rapport d'embranchement ( $\simeq 10^{-3}$), ce canal a l'avantage d'avoir un rapport signal sur bruit ( $\simeq 10^{-2}$) beaucoup plus favorable que les autres canaux (celui du canal $b \bar{b}$ est de $\simeq 10^{-5}$). L'état final de ce canal est de deux photons ayant une grande impulsion transverse ($\simeq 50$ GeV/c) et avec une masse invariante compatible avec la masse du boson de Higgs. Mais malgré cette signature simple, c'est l'un des canaux les plus contraignant à cause de grands bruits de fond : $qq \rightarrow \gamma \gamma$, $gg \rightarrow \gamma \gamma$ et un signal en $\gamma j$ où le jet $j$ simule l'interaction d'un photon.

• $130 < M_{H} < 2m_Z$ : $H \rightarrow Z Z^* \rightarrow 2l^{+} 2l^{-}$
  Ce canal donne lieu à une signature caractéristique en quatre leptons (électrons ou muons) dont la masse invariante devrait contribuer à un pic de masse dont la valeur centrale serait compatible avec la masse du boson de Higgs. Mais les bruits de fond sont importants : en plus du bruit de fond irréductible $pp \rightarrow Z Z^* \rightarrow 2l^{+} 2l^{-}$, on en a deux autres réductibles $t \bar{t} \rightarrow 2l^{+} 2l^{-} +X$ et $Z b \bar{b} \rightarrow 2l^{+} 2l^{-} +X$.

• $M_{H} > 2m_Z$ : $H \rightarrow Z Z \rightarrow 2l^{+} 2l^{-}$
  C'est la meilleure région pour découvrir un signal de boson de Higgs au LHC car ce canal donne lieu a une signature "en or" (presque sans bruit de fond).

• $M_{H} > 500$ $GeV/c^2$ : $H \rightarrow Z Z \rightarrow l^{+} l^{-} \nu \bar{\nu}$,
  $H \rightarrow Z Z \rightarrow l^{+} l^{-} j j$
  et $H \rightarrow W W \rightarrow l^{\pm} \nu j j$
  Ces canaux ont de grands rapports d'embranchement qui peuvent compenser la diminution de la section efficace de production.