L'IA pour faire apparaître les charmes du boson de Higgs 💥

Et si le boson de Higgs ne se contentait pas de donner leur masse aux particules les plus lourdes ? Une nouvelle étude du CERN explore son lien avec les quarks de la matière ordinaire. Une avancée rendue possible grâce à l'IA.

La collaboration CMS du CERN vient de franchir une nouvelle étape dans la compréhension du boson de Higgs, en explorant sa désintégration en une paire de quarks charme (quarks c). Cette avancée pourrait nous aider à mieux comprendre comment cette mystérieuse particule donne sa masse à la matière.


Le boson de Higgs, découvert en 2012 grâce au Grand collisionneur de hadrons (LHC), est au cœur du Modèle standard de la physique des particules, car il permet d'expliquer pourquoi les particules ont une masse. Jusqu'à présent, les scientifiques ont confirmé que le Higgs interagit bien avec les quarks les plus lourds (top et bottom). Mais pour les quarks plus légers – comme le quark charme, le quark up ou le quark down, qui composent la matière ordinaire – les preuves sont encore manquantes.

Pour avancer, les chercheurs observent comment le boson de Higgs se transforme après sa création, notamment lorsqu'il se désintègre en quarks. Récemment, lors d'un séminaire au CERN, la collaboration CMS a présenté une analyse inédite: ils ont cherché à détecter des événements où un boson de Higgs est produit avec deux quarks top, puis se désintègre en deux quarks charme. Pour réussir, ils ont utilisé des outils d'intelligence artificielle parmi les plus avancés.

Détecter un tel événement n'est pas simple. Les quarks, dès leur création, se transforment en gerbes de particules appelées "jets", qui se ressemblent beaucoup. Distinguer un jet issu d'un quark charme de ceux produits par d'autres quarks est extrêmement difficile. Les méthodes classiques ne suffisent pas. Il a donc fallu innover.

"Nous avons complètement repensé notre manière d'analyser ces données, explique Sebastian Wuchterl, chercheur au CERN. Comme les quarks charme sont encore plus discrets que les quarks bottom, nous avons utilisé des algorithmes d'apprentissage automatique de dernière génération pour isoler leur trace parmi les autres événements."

Les physiciens ont utilisé deux types d'algorithmes. Le premier, un réseau neuronal graphique, permet de repérer les fameux jets des quarks c. Le second, un réseau transformeur (similaire à celui utilisé par ChatGPT, mais ici pour trier des événements), aide à distinguer les signes de désintégration du Higgs du bruit ambiant. Ces outils ont été entraînés sur des centaines de millions de données simulées pour être aussi précis que possible.

Grâce aux données récoltées entre 2016 et 2018, combinées à d'autres analyses passées, l'équipe CMS a réussi à poser les limites les plus strictes jamais obtenues sur la façon dont le boson de Higgs pourrait interagir avec le quark charme. En clair, ils ont réduit l'incertitude de 35 % par rapport aux résultats précédents – un progrès significatif pour tester les prédictions de la théorie actuelle.

"C'est une avancée majeure, indique Jan van der Linden, chercheur à l'université de Gand. Avec plus de données dans les prochaines années et des outils encore meilleurs, nous pourrions enfin observer directement cette interaction entre le Higgs et les quarks charme – ce qui semblait hors de portée il y a peu."

À mesure que le LHC continue ses expériences, les améliorations apportées à l'identification des quarks c et au tri des événements ouvriront la voie à de futures découvertes. CMS, ainsi qu'ATLAS – l'autre grande expérience du LHC – pourraient bientôt confirmer que le boson de Higgs se désintègre bien en quarks charme. Cela représenterait un nouveau pas vers la compréhension complète de la manière dont toutes les particules de matière obtiennent leur masse, tout en testant plus en profondeur un modèle théorique vieux de 50 ans.