La désintégration du Higgs en quarks b enfin observée
Publié par Adrien le 29/08/2018 à 00:00
Source: Ana Lopes - Copyright CERN
Six ans après la découverte du boson de Higgs la désintégration de cette particule en d'autres particules fondamentales, les quarks b, a enfin été observée. Ce résultat, présenté aujourd'hui au CERN par les collaborations ATLAS et CMS auprès du Grand collisionneur (Un collisionneur est un type d'accélérateur de particules mettant en jeu des faisceaux dirigés de particules élémentaires.) de hadrons (LHC), est compatible avec l'hypothèse que le champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) quantique lié au 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...) donne également sa 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...) au quark (Les quarks sont des fermions que la théorie du modèle standard décrit, en compagnie de la famille des leptons, comme les constituants élémentaires de la...) b.


Événement candidat enregistré par ATLAS pour une désintégration du boson de Higgs (H) en deux quarks b, associée à une désintégration d'un boson W (Le boson W existe sous deux états opposés de charges électriques notés W+ et W-. Les W+ et W- sont deux des trois bosons de jauge de l'interaction faible. Le troisième boson étant le boson Z) 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 masse 207...) (µ) et un neutrino (Le neutrino est une particule élémentaire du modèle standard de la physique des particules. C’est un fermion de spin ½.) (?). (Image : ATLAS/CERN)

D'après le Modèle standard de la 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 interactions. On l'appelle aussi physique...), dans 60 % des cas, le boson de Higgs se désintègre en une paire (On dit qu'un ensemble E est une paire lorsqu'il est formé de deux éléments distincts a et b, et il s'écrit alors :) de quarks b, qui vient en deuxième position par sa masse sur 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 tout », comme l'énonçait...) des six quarks. Il est crucial de confirmer ou d'infirmer cette prédiction, car le résultat viendra, soit étayer le Modèle standard – qui veut que le champ de Higgs dote d'une masse le quark et d'autres particules fondamentales – soit remettre en question les fondements du Modèle en ouvrant la voie à une nouvelle physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la physique...).

Arriver à repérer ce mode de désintégration du Higgs, qui est commun, est loin d'être facile, comme l'ont montré les six années écoulées depuis la découverte de cette particule. La difficulté vient du fait qu'il existe de nombreux autres modes de production des quarks b dans les collisions proton-proton. Il est donc compliqué d'isoler le signal ( Termes généraux Un signal est un message simplifié et généralement codé. Il existe sous forme d'objets ayant des formes particulières. Les signaux...) de désintégration du boson de Higgs du " bruit de fond " constitué par toutes les autres désintégrations. Par contre, les modes de désintégration du Higgs observés au moment de la découverte de la particule, tels que la désintégration en une paire de photons (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction électromagnétique. Autrement dit, lorsque deux particules chargées électriquement interagissent, cette interaction se traduit d'un...), qui sont plus rares, sont beaucoup plus faciles à repérer.

Pour extraire le signal, les collaborations ATLAS et CMS ont toutes deux combiné des 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.) issues de la première et de la deuxième périodes d'exploitation du LHC, correspondant à des collisions à des énergies de 7, 8 et 13 TeV. Puis des méthodes d'analyse complexes ont été appliquées aux données. Le résultat, obtenu aussi bien par ATLAS que par CMS, est la détection de la désintégration du boson de Higgs en une paire de quarks b, avec une signification statistique (Une statistique est, au premier abord, un nombre calculé à propos d'un échantillon. D'une façon générale, c'est le résultat de...) supérieure à cinq écarts-types. En outre, les deux équipes ont mesuré un taux de désintégration qui correspond à la prédiction du Modèle standard, dans les limites de la précision actuelle de la mesure.

Événement candidat enregistré par CMS pour une désintégration du boson de Higgs (H) en deux quarks b, associée à une désintégration d'un boson Z (Le boson Z0 est un des trois bosons de jauge de l'interaction faible, les deux autres étant le boson W sous deux états opposés de charges électriques notés W+ et W-.) 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.) (e^-) et un antiélectron (e^+). (Image: CMS/CERN)

Cette observation constitue une étape marquante dans l'étude du boson de Higgs. Elle montre que les expériences ATLAS et CMS sont parvenues à une compréhension approfondie de leurs données, et à une maîtrise des bruits de fond qui dépasse les attentes. ATLAS a désormais observé tous les couplages du boson du Higgs aux quarks lourds et aux leptons de troisième génération ainsi que l'ensemble des modes de production principaux ",  explique Karl Jakobs, porte-parole de la collaboration ATLAS.

" Depuis la première observation, dans une seule expérience, de la désintégration du boson de Higgs en leptons tau, il y a un an, CMS, de même que nos collègues d'ATLAS, a observé le couplage du boson de Higgs aux fermions les plus massifs : le tau, le quark t, et à présent le quark b.La magnifique performance du LHC, et les techniques modernes d'apprentissage 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...) nous ont permis d'aboutir à ce résultat plus tôt que prévu ", explique Joel Butler, porte-parole de la collaboration CMS.

Avec davantage de données, les collaborations amélioreront la précision de ces mesures, et d'autres mesures, et pourront étudier la désintégration du boson de Higgs en une paire de fermions beaucoup moins massifs appelés muons, tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) en continuant à rechercher d'éventuels écarts dans les données, susceptibles de révéler une physique au-delà du Modèle standard.

" Les expériences continuent à se concentrer sur la particule de Higgs, qui est souvent considérée comme une porte d'accès à la nouvelle physique.Ces très beaux résultats, obtenus rapidement, montrent l'intérêt de nos projets d'amélioration du LHC visant à augmenter substantiellement la quantité de données. Il apparaît désormais que les méthodes d'analyse atteignent la précision requise pour l'exploration (L'exploration est le fait de chercher avec l'intention de découvrir quelque chose d'inconnu.) de la totalité du paysage (Étymologiquement, le paysage est l'agencement des traits, des caractères, des formes d'un espace limité, d'un « pays ». Portion de...) de la physique, y compris, nous l'espérons, la nouvelle physique qui est restée si bien cachée jusqu'à présent ",ajoute Eckhard Elsen, directeur de 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...) et de l'informatique (L´informatique - contraction d´information et automatique - est le domaine d'activité scientifique, technique et industriel en rapport avec le traitement automatique de l'information par des machines telles que les...) du CERN.
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