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Posté par Adrien le Jeudi 07/06/2018 à 00:00
LHC: une mesure inédite révèle l'affinité du boson de Higgs avec le quark top

Le LHC: Le plus grand accélérateur de particules du monde
(Illustration: © CERN )
Après la découverte du boson de Higgs en 2012, une nouvelle étape majeure vient d'être franchie au LHC dans la compréhension du mécanisme qui confère une masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse inerte) et l'autre la contribution du corps à la force de gravitation (la...) aux particules élémentaires. Les résultats des expériences ATLAS et CMS, compatibles entre eux et présentés lors de la conférence LHC Physics à Bologne (Bologne est une ville italienne d'environ 375 000 habitants, située dans le nord-est du pays, entre le Pô et les Apennins. C'est le chef-lieu de la région...), confirment la forte interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein d'un système. C'est une action réciproque qui suppose l'entrée en...) entre la particule élémentaire (On appelle particules élémentaires les constituants fondamentaux de l'univers décrits par le modèle standard de la physique des particules. Ces...) de matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide, l'état liquide, l'état gazeux. La matière...) la plus lourde, le quark (Les quarks sont des fermions que la théorie du modèle standard décrit, en compagnie de la famille des leptons, comme les constituants...) top, et le boson de Higgs (Le boson de Higgs est une particule élémentaire dont l'existence a été proposée en 1964 par Gerry Guralnik, C.R. Hagen, et Tom Kibble; Robert Brout et François Englert (et nommé « boson scalaire...). Cette mesure, inédite jusqu'à ce jour (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la période entre deux nuits, pendant laquelle les rayons du Soleil éclairent le ciel. Son début...), qui a été menée avec de nombreux scientifiques français de l'IN2P3 (L'Institut national de physique nucléaire et de physique des particules (IN2P3) est un institut de recherche fondamentale du CNRS dont le domaine de recherche est comme son...) et de l'IRFU (CEA), ouvre des pistes pour la recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension métonymique, la...) de nouvelles physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la physique désigne la...).

En physique des particules (La physique des particules est la branche de la physique qui étudie les constituants élémentaires de la matière et les rayonnements, ainsi que leurs...), deux types de stratégies sont utilisées pour débusquer la nouvelle physique. Soit on teste un modèle théorique en cherchant ses manifestations, par exemple à travers la découverte de nouvelles particules, soit on essaie de mettre en défaut le modèle existant. C'est ici la deuxième approche qui est exploitée. Le Modèle standard de la physique des particules ne prédit par la force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un pouvoir de la volonté ou encore une vertu morale « cardinale »...) d'interaction (ou "couplage") entre les différentes particules, notamment entre le boson (Les bosons représentent une classe de particules qui possèdent des propriétés de symétrie particulières lors de l'échange de particules : un...) de Higgs et le quark top. Ce couplage entre deux particules lourdes n'avait encore jamais été mesuré et ce nouveau résultat permet un bond en avant dans notre connaissance des propriétés du boson de Higgs. Ce faisant, il ouvre la voie vers des tests encore plus contraignants pour le Modèle standard. En effet, des particules lourdes révélatrices d'une nouvelle physique, jusque-là jamais observées, pourraient elles aussi participer à ce type de désintégration.

Cette recherche est l'une des plus difficiles jamais conduites par les scientifiques d'ATLAS et CMS car seulement 1% des bosons de Higgs sont produits en association avec deux quarks top. C'est à dire qu'il faut faire plus de 150 milliards de collisions de protons pour produire un seul événement de ce type ! Pour y arriver, il a donc fallu accumuler suffisamment de données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction d'affaire, d'un événement, etc.) à une énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) de collision (Une collision est un choc direct entre deux objets. Un tel impact transmet une partie de l'énergie et de l'impulsion de l'un des corps au second.) proton-proton puis prendre en compte tous les d'états finaux possibles et utiliser les méthodes les plus avancées de traitement de données (En informatique, le terme traitement de données renvoie à une série de processus qui permettent d'extraire de l'information ou de produire du savoir...) par "apprentissage (L’apprentissage est l'acquisition de savoir-faire, c'est-à-dire le processus d’acquisition de pratiques, de connaissances, compétences, d'attitudes ou de valeurs culturelles, par...) automatique (L'automatique fait partie des sciences de l'ingénieur. Cette discipline traite de la modélisation, de l'analyse, de la commande et, de la régulation des systèmes dynamiques. Elle a pour fondements théoriques les mathématiques, la...)" (Machine Learning).

Dans les deux expériences, le résultat annoncé aujourd'hui est le fruit (En botanique, le fruit est l'organe végétal protégeant la graine. Caractéristique des Angiospermes, il succède à la fleur par transformation du pistil. La paroi de l'ovaire forme...) d'une stratégie (La stratégie - du grec stratos qui signifie « armée » et ageîn qui signifie « conduire » - est :) étagée exploitant les données collectées à des énergies de 7, 8 et 13 TeV. Les équipes d'ATLAS et de CMS ont mené plusieurs études indépendantes pour traquer ce processus appelé "production ttH", chacune axée sur un mode de désintégration différent du boson de Higgs (désintégration en bosons W , bosons Z, photons (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction électromagnétique. Autrement dit, lorsque deux particules chargées électriquement...), leptons taus et jets issus des quarks bottom). Pour augmenter le plus possible la sensibilité au signal ( Termes généraux Un signal est un message simplifié et généralement codé. Il existe sous forme d'objets ayant des formes particulières. Les signaux lumineux sont employés depuis la nuit des temps par les hommes...) ttH, très difficile à observer expérimentalement, chaque expérience a ensuite combiné les résultats de toutes ses recherches grâce à des méthodes statistiques avancées. L'interprétation fine des collisions s'appuie sur leur excellente maîtrise (La maîtrise est un grade ou un diplôme universitaire correspondant au grade ou titre de « maître ». Il existe dans plusieurs...) des détecteurs que les ingénieur·es et instrumentalistes français ont contribué à concevoir et construire. Les chercheurs et chercheuses de l'IN2P3 ont joué un rôle majeur dans de nombreux "étages" de cette analyse, menée en collaboration avec les théoriciens et théoriciennes et les informaticiens et informaticiennes de l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le Perimeter Institute for...).


Un événement candidat de production d'une paire quark top anti-quark top, en conjonction avec un boson de Higgs, dans l'expérience CMS. Le Higgs se désintègre en un lepton (Un lepton est une particule élémentaire qui n'est sensible qu'à l'interaction électrofaible et à la gravitation. Le terme lepton provient du mot grec...) tau+, qui se désintègre à son tour en hadrons et un tau-, qui se désintègre en un électron (L'électron est une particule élémentaire de la famille des leptons, et possèdant une charge électrique élémentaire de signe négatif. C'est un des composants de l'atome.). Les symboles du produit de désintégration figurent en bleu (Bleu (de l'ancien haut-allemand « blao » = brillant) est une des trois couleurs primaires. Sa longueur d'onde est comprise approximativement entre 446 et 520 nm....). La désintégration du quark top en trois jets de particules plus légères, est indiquée en violet (Le violet est une couleur, composée d'un mélange de bleu (environ 50% de luminosité) et de rouge (environ 25% de luminosité) en synthèse additive, et d'un mélange de magenta (environ 100%) et de cyan (environ 50%) en...). L'un des jets est initié par un quark b. L'anti-quark top se désintègre en un muon (Le muon est, selon le modèle standard de physique des particules, le nom donné à deux particules élémentaires de charge positive et négative. Les muons ont une...) et un jet-b, qui apparaissent en rouge (La couleur rouge répond à différentes définitions, selon le système chromatique dont on fait usage.). (Image: CMS/CERN)

La combinaison (Une combinaison peut être :) de l'ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut être comprise comme un...) de ces mesures a conduit à l'observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et d’étude...) de la production ttH avec une sensibilité statistique (La statistique est à la fois une science formelle, une méthode et une technique. Elle comprend la collecte, l'analyse, l'interprétation de données ainsi que la...) supérieure, pour les deux expériences prises séparément, au seuil de 5 écarts standards traditionnellement requis pour une découverte. Cela signifie que si la production ttH n'existait en fait pas, l'expérience avait au plus environ une chance sur 3,5 millions de l'observer malgré tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) par erreur.

Ces prochaines années, les deux expériences collecteront bien plus de données et amélioreront la précision de ce couplage afin de déterminer si le Higgs révèle la présence d'une physique au-delà du Modèle standard.

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Source: CNRS-IN2P3