L'incroyable légèreté du Higgs
Publié par Adrien le 09/09/2018 à 00:00
Source: Corinne Pralavorio - Copyright CERN
Pourquoi le boson de Higgs est-il si léger  ? C'est là une question qui préoccupe les physiciens des particules depuis la découverte du Higgs en 2012. En effet, la théorie expliquant l'interaction du Higgs avec la plus massive de toutes les particules élémentaires observées, le quark (Les quarks sont des fermions que la théorie du modèle standard décrit, en compagnie de la famille des leptons, comme les constituants...) t, inclut des corrections à un niveau fondamental (quantique) qui pourraient entraîner 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...) du Higgs beaucoup plus importante que la valeur mesurée, qui est 125 GeV. Par beaucoup plus importante ", on entend que cette différence pourrait être de seize ordres de grandeur. La faiblesse de la masse du Higgs semble indiquer l'existence possible d'autres particules susceptibles de rendre caduques les corrections quantiques s'appliquant aux interactions avec le quark t (et d'autres particules lourdes).


Vue du détecteur (Un détecteur est un dispositif technique (instrument, substance, matière) qui change d'état en présence de l'élément ou...) d'ATLAS. La collaboration annonce les résultats d'un ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble),...) d'études portant sur 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...) d'une nouvelle particule qui pourrait expliquer la légèreté du Higgs. (Image: Claudia Marcelloni/ATLAS CERN)

Dans un article publié en ligne et soumis à la revue Physical Review Letters, la collaboration ATLAS rend compte des résultats d'un ensemble d'études qu'elle a menées pour trouver une nouvelle particule  – dite quark t de type vecteur (En mathématiques, un vecteur est un élément d'un espace vectoriel, ce qui permet d'effectuer des opérations d'addition et de multiplication par un scalaire. Un n-uplet peut...) – qui pourrait être un facteur contribuant à la légèreté du Higgs.

Plusieurs hypothèses ont été formulées pour éliminer les fortes corrections quantiques apportées à la masse du 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...). Un grand nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) d'entre elles font appel au quark t de type vecteur, particule hypothétique non prédite par 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...). Contrairement au quark t du Modèle standard, qui se désintègre invariablement en un quark b et 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...), le quark t de type vecteur se désintégrerait selon trois modes différents, si tant est qu'il se désintègre en particules du Modèle standard. Plus précisément, un quark t de type vecteur se désintégrerait en un quark b et un boson (Les bosons représentent une classe de particules qui possèdent des propriétés de symétrie particulières lors de l'échange...) W, ou en 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-.) et un quark t, ou encore en un boson de Higgs et un quark t.

Pour augmenter ses chances de trouver des quarks t de type vecteur, la collaboration ATLAS a effectué plusieurs types d'études à partir 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 des collisions proton-proton recueillies auprès du LHC en 2015 et 2016 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 13 TeV ; chaque étude s'intéresse à un ensemble particulier de désintégrations de particules. Puis, les scientifiques d'ATLAS ont combiné les résultats afin d'augmenter les chances de trouver des quarks t de type vecteur, sans pour autant observer d'indice de cette particule hypothétique.

Cependant, l'analyse a permis d'étendre la portée des différentes études prises séparément et de fixer les limites inférieures les plus contraignantes 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...) sur la masse des quarks t de type vecteur. L'analyse exclut ainsi les quarks t de type vecteur ayant des masses inférieures à environ 1 300 GeV pour toute combinaison (Une combinaison peut être :) des trois désintégrations du quark t en particules du Modèle standard. La précédente limite inférieure retenue pour une étude individuelle était 1 190 GeV.

La suite s'avérera plus coriace : pour des masses supérieures à 1 300 GeV, la production d'un unique quark t de type vecteur est plus fréquente que celle d'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 :). La recherche continue néanmoins, s'appuyant sur l'abondance de données en provenance du LHC.
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