DiHiggs dans les évènements VBF : Exploration des propriétés du boson de Higgs avec la production de HH par fusion de bosons vecteurs – DIVE

L’étude des propriétés du boson de Higgs (H) est une étape fondamentale pour comprendre le mécanisme de brisure de la symétrie électrofaible et vérifier si le mécanisme de Brout-Englert-Higgs (BEH) est réalisé dans la Nature. La production de paires de bosons de Higgs (HH) par la fusion de bosons vecteurs (vector boson fusion ou VBF) donne accès à certaines propriétés fondamentales du boson de Higgs. Ce mécanisme implique à la fois les intéractions HHH, VHH et VVHH (avec V=W,Z). Il est caractérisé par une interférence négative entre les amplitudes associées à VVH et VVHH avec des bosons vecteurs polarisés longitudinalement, ce qui est une conséquence directe de la structure de doublet du champ de Higgs. La présence de nouvelle physique pourrait modifier cette interférence et se manifester par une augmentation allant jusqu’à deux ordres de grandeur de la section efficace totale et une altération de la distribution en masse invariante de la paire HH (mHH) pour des valeurs au-delà de 1 TeV.

Des premières études de VBF HH ont été effectuées avec les données du Run 2 au LHC, mais elles ont été limitées à l’étude de couplages VVHH anormaux. L’échantillon de données du Run 2 et Run 3 de ATLAS, correspondant à 400 fb-1 environ, permettra une contrainte des propriété du boson de Higgs en VBF HH avec une sensibilité sans précédent.

Le projet porte sur l’étude de VBF HH dans les canaux à haute section efficace bbbb et bbtautau, avec le but de contraindre séparément les composantes de diffusion longitudinale et transverse. Cette propriété n’à jamais été étudiée jusqu’à présent au LHC et permettra l’exploitation totale de l’information accessible avec ce mode de production. La polarisation des bosons vecteurs est accessible à travers des propriétés cinématiques des événements et en particulier avec mHH. Le canal bbtautau sera étudié dans les régimes à basse et haute mHH, tandis que l’étude dans le canal bbbb se focalisera sur le régime à haute mHH où la sensibilité est maximale. Le projet porte sur le développement d'analyses dédiées pour ces topologies, incluant l’étude de méthodes pour modéliser avec précision et rejeter efficacement les bruits de fond.

Le projet inclura le développement de méthodes dédiées pour l’identification des désintégrations en bb et tautau de bosons de Higgs à grande impulsion transverse, dont les produits de désintégration sont spatialement très proches. Nous étudierons l’amélioration des méthodes existantes pour l'identification de H->bb et développerons des techniques pour l’identification de H->tautau, où les méthodes actuellement existantes dans ATLAS n’ont pas le niveau de performance nécessaire pour effectuer les analyses proposées. Pour achever ces résultats nous explorerons l’utilisation de réseaux de neurones graphiques, qui ont déjà été appliqués avec succès à des problèmes similaires d’identification, en combinant l’information des constituants des jets. Après le développement des algorithmes nous mettrons en place leur caractérisation, validation et étalonnage avec les données de ATLAS Run 2 et Run 3.

Les résultats seront développés de manière cohérente entre les trois analyses, depuis la modélisation du signal jusqu’à l'interprétation finale des résultats. En plus des résultats en termes de couplages anormaux, le projet explorera pour la première fois dans ces canaux l'interprétation en termes de théories effective des champs (effective field theory).

Le projet est présenté par un consortium de trois laboratoires français: IJCLab, CPPM et LPNHE. Les participants ont une très grande expertise sur les sujets de recherche proposés et le travail conjoint permettra d’accomplir les objectifs scientifiques. Le support financier soutiendra l’embauche et les charges de fonctionnement pour trois contrats de post-doctorat de deux années chacun, un pour chaque laboratoire. Les résultats seront publiés dans des revues scientifiques à comité de lecture et présentés à des conférences internationales.