Après leur découverte du boson de Higgs en 2012, les collaborations Atlas et CMS au Cern ont entrepris des mesures de précision des propriétés du boson de Higgs, clé de voûte du modèle standard de la physique des particules. Elles ont ainsi mesuré les interactions (ou couplages) du boson de Higgs avec les bosons faibles Z, W et les fermions lourds (quarks b, t, leptons tau) qui s'avèrent conformes aux prédictions du modèle. Certains couplages, en particulier pour les fermions légers comme l'électron, restent à ce jour inaccessibles expérimentalement.

L'un de ces couplages – l'auto-couplage du boson de Higgs, se manifestant par la production de paires de bosons de Higgs (HH) à partir d'un boson de Higgs – occupe une place à part. Il constitue un test unique du mécanisme expliquant comment les particules acquièrent une masse.

Les moyens expérimentaux actuels du LHC ne permettent pas d'observer la production de HH prédite par le modèle standard car elle est trop rare. Elle est en effet mille fois plus faible que celle de H, qui n'apparaît qu'une fois sur dix milliards de collisions de protons. Mais de nombreux scénarios au-delà du modèle standard prédisent des probabilités accrues qui la rendraient observable au LHC.

Comme le boson de Higgs sitôt produit se désintègre quasi-instantanément (≈ 10^-22 s), les physiciens utilisent les produits de sa désintégration (dans un « canal de désintégration ») pour rechercher la présence d'une paire HH. De nombreux canaux ont été explorés au LHC afin de maximiser le signal de HH. Les canaux retenus présentent un compromis favorable entre un fort taux de désintégration et un faible bruit de fond. C'est en particulier le cas des deux suivants :

• une paire de quarks beau et une paire de photons (HH→bbγγ) ;
• une paire de quarks beau et une paire de leptons tau (HH→bbτ⁺τ).

Le premier canal est peu probable (0,3 %) mais très sensible – notamment en raison de la qualité excellente des mesures de photons par le calorimètre électromagnétique ECAL de CMS – tandis que le second, plus probable (7,3 %), souffre d'un bruit de fond plus important qui a pu être réduit par des méthodes avancées d'intelligence artificielle.

En dernière analyse, les scientifiques concluent que, tous canaux confondus, la probabilité de production de HH est inférieure à 3,4 fois celle prédite par le modèle standard.

Les équipes de l'Irfu ont joué un rôle central dans ces explorations, reposant sur les données des collisions proton-proton à 13 TeV dans le LHC, qui ont été collectées par l'expérience CMS de 2016 à 2018.

À partir de 2029, le LHC cèdera la place à un nouveau collisionneur à haute luminosité (HL-LHC) qui permettra d'accumuler un lot de données dix fois supérieur et améliorera la sensibilité aux processus très rares tels que la production de HH, son observation étant un des enjeux principaux du programme de physique du HL-LHC.