Le boson de Higgs se désintègre en particules de matière

Le boson de Brout-Englert-Higgs a été découvert au CERN en 2012 en observant des signaux très spécifiques dans les collisions de protons. Maintenant, pour la première fois, des chercheurs démontrent que le boson de Brout-Englert-Higgs se désintègre directement en particules de matière (fermions), avec des fréquences compatibles avec les prédictions du Modèle Standard. Cette découverte est un grand pas en avant et confirme notre compréhension de l'origine de la masse des particules élémentaires qui constituent la matière. Les résultats ont été publiés le 22 juin 2014 dans Nature Physics.

Des chercheurs de l'expérience CMS au CERN ont pour la première fois démontré que le boson de Brout-Englert-Higgs se désintègre directement en des particules de matière, aussi appelées fermions. Le 22 Juin 2014 Nature Physics a publié ces résultats de l'expérience CMS (Compact Muon Solenoid). Des chercheurs de l'Université libre de Bruxelles (ULB), en collaboration avec leurs collègues de l'Université catholique de Louvain (UCL), l'Université de Mons (Umons), l'Université d'Anvers (Uantwerpen), l'Université de Gand (Ugent) et la Vrije Universiteit Brussel (VUB), ont activement participé à cette avancée importante.

En 1964, Robert Brout, François Englert et Peter Higgs ont proposé un mécanisme pour expliquer comment les bosons de jauge W et Z, les particules élémentaires qui transmettent la force faible, acquièrent une masse. Ce mécanisme permet également de comprendre comment les fermions, les particules qui constituent la matière, peuvent être massifs. Leur mécanisme a été validé en juillet 2012 lorsque les expériences CMS et ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS) ont annoncé la découverte d'une nouvelle particule compatible avec le boson BEH. Peu après, François Englert et Peter Higgs ont reçu le Prix Nobel de Physique 2013.

Le boson BEH se désintègre presque immédiatement en particules plus légères ; la nature de ces particules plus légères ainsi que la fréquence avec laquelle de telles désintégrations se produisent sont prédites avec précision dans le Modèle Standard de la physique des particules. Jusqu'à présent, le boson BEH n'avait été observé que lors de ses désintégrations en une paire de bosons de jauge, plus particulièrement en bosons Z, W ou en photons.

Le nouveau résultat publié dans Nature Physics ce 22 juin démontre que le boson BEH se désintègre également directement en paires de fermions – leptons tau et quarks b -, avec des fréquences compatibles avec les prédictions du Modèle Standard. Les données utilisées dans l'étude ont été collectées par l'expérience CMS (en 2011-12) au LHC (Large Hadron Collider), le collisionneur de protons situé à Genève, au CERN. La collaboration CMS compte plus de 3000 physiciens de toutes nationalités, dont plus de 100 chercheurs belges. L'Université libre de Bruxelles avec l'Université catholique de Louvain et l'Université de Mons participent à l'expérience CMS et ont activement contribué aux nouveaux résultats publiés.

L'évidence de la désintégration directe du boson BEH en fermions est une étape cruciale pour la vérification du Modèle Standard. Cependant, malgré son succès, le Modèle Standard ne peut répondre à une série de questions importantes en physique (existence d'autres bosons scalaires, asymétrie entre la matière et l'antimatière, nature de la matière noire, les masses très différentes des particules élémentaires, ...). Le LHC, actuellement à l'arrêt, reprendra ses activités en avril 2015 à plus haute énergie et collectera de nouvelles données pour établir la nature exacte du boson BEH et mesurer ses paramètres avec une meilleure précision. Des déviations dans ses propriétés par rapport aux prédictions du Modèle Standard seraient un indicateur clair d'une nouvelle physique au-delà du Modèle Standard. La nouvelle prise de donnée du LHC (2015-17) à haute énergie permettra aussi aux physiciens de rechercher des nouveaux types d'interaction ou de matière, comme par exemple les particules susceptibles de composer la matière noire de l'univers.