De nouvelles voies d'observation pour le boson de Higgs

Publié par Adrien le 05/06/2020 à 09:00
Source: CERN
ATLAS et CMS ont présenté leurs résultats les plus récents concernant de nouvelles signatures permettant la détection du boson de Higgs auprès du LHC.


Événements de collision enregistrés par ATLAS et CMS, utilisés dans la recherche de transformations rares 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...) (Image: CERN)

Les collaborations ATLAS et CMS ont présenté leurs résultats les plus récents concernant de nouvelles signatures permettant la détection du boson (Les bosons représentent une classe de particules qui possèdent des propriétés de symétrie particulières lors de l'échange de particules : un système de particules identiques se comportant...) de Higgs 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). Ces résultats incluent les recherches de désintégrations rares du boson de Higgs 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...) - particule porteuse (Une porteuse est un signal sinusoïdal de fréquence et amplitude constantes. Elle est modulée par le signal utile (audio, vidéo,...) de l'une des forces fondamentales de la nature - et une deuxième particule. 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 appropriés. Le plaisir procuré explique la très grande...) et l'étude de désintégrations rares d'après la théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer, examiner ». Dans le langage courant, une théorie est une idée ou une connaissance spéculative, souvent basée sur l’observation...) contribuent à faire avancer la connaissance 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...) et pourraient en outre ouvrir 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...) si les observations diffèrent des prédictions théoriques. Les résultats présentés comprenaient également des recherches d'indices de désintégrations du Higgs en particules "invisibles", qui pourraient mettre en évidence d'éventuelles particules de matière noire (En astrophysique, la matière noire (ou matière sombre), traduction de l’anglais dark matter, désigne la matière apparemment indétectable, invoquée pour rendre compte d’effets inattendus, notamment au...). Les analyses ont porté sur près de 140 femtobarns inverses 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.), soit environ 10 millions de milliards de collisions proton-proton, enregistrées entre 2015 et 2018.

Les détecteurs ATLAS et CMS ne peuvent jamais observer directement un boson de Higgs: en effet, cette particule éphémère se transforme (se "désintègre") en des particules plus légères presque immédiatement après avoir été produites dans des collisions proton-proton ; ce sont ces particules plus légères qui laissent des signatures révélatrices dans les détecteurs. Cependant, des signatures similaires peuvent être produites par d'autres processus du Modèle standard. Les scientifiques doivent donc tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) d'abord identifier chacun des éléments qui correspondent à cette signature, puis accumuler suffisamment de données statistiques (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...) pour être en mesure de confirmer que les collisions ont effectivement produit des bosons de Higgs.

Lorsqu'il a été découvert en 2012, le boson de Higgs a été observé essentiellement sous la forme de sa désintégration en paires de bosons Z et en paires de photons. Ces "canaux de désintégration" produisent des signatures relativement limpides qui les rendent plus facilement détectables ; ils ont été observés au LHC. D'autres transformations ne se produisent que très rarement, ou bien ont une signature moins claire, et sont donc difficiles à repérer.

Lors de la conférence LHCP, ATLAS a présenté les résultats les plus récents de recherches portant sur un processus rare de ce type, dans lequel un boson de Higgs se transforme en un boson Z et un photon (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction électromagnétique. Autrement dit, lorsque deux particules chargées électriquement interagissent, cette...) (ɣ). Le Z ainsi produit, lui-même instable, se transforme en paires de leptons, soit électrons soit muons, laissant ainsi dans le détecteur (Un détecteur est un dispositif technique (instrument, substance, matière) qui change d'état en présence de l'élément ou de la situation pour lequel il a été...) une signature constituée de deux leptons et d'un photon (En physique des particules, le photon (souvent symbolisé par la lettre γ — gamma) est la particule élémentaire médiatrice de l’interaction électromagnétique. Autrement dit, lorsque deux...). Étant donné la faible probabilité (La probabilité (du latin probabilitas) est une évaluation du caractère probable d'un évènement. En mathématiques, l'étude des...) d'observer une transformation de Higgs en Zɣ dans le volume (Le volume, en sciences physiques ou mathématiques, est une grandeur qui mesure l'extension d'un objet ou d'une partie de l'espace.) de données analysées, ATLAS a pu exclure la possibilité que plus de 0,55% de bosons de Higgs produits dans le LHC se transforment en Zɣ. "Grâce à cette analyse, déclare Karl Jakobs, porte-parole de la collaboration ATLAS, nous pouvons montrer que notre sensibilité expérimentale pour cette signature est maintenant proche de la prédiction du Modèle standard." La meilleure valeur extraite pour 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 » équivalent au courage (cf. les...) du signal ( Termes généraux Un signal est un message simplifié et généralement codé. Il existe sous forme d'objets ayant des formes particulières. ...) H→Zγ, définie comme le rapport entre le rendement du signal observé et le rendement prédit par le Modèle standard, est de 2.0+1.0−0.9.

CMS a présenté les résultats de la première recherche de transformations du Higgs dans lesquelles intervient également un boson Z, mais accompagné d'un méson (Un méson est, en physique des particules, une particule composite (c’est-à-dire non élémentaire) composée d'un nombre pair de quarks et d'antiquarks.) ρ (rho) ou φ (phi). Le boson Z là encore se désintègre en paires de leptons, alors que la seconde ( Seconde est le féminin de l'adjectif second, qui vient immédiatement après le premier ou qui s'ajoute à quelque chose de nature identique. La seconde est une unité de mesure du temps. La seconde...) particule se transforme en paires de pions (ππ), dans le cas du ρ et en paires de kaons (KK) dans le cas du φ. "Ces transformations sont extrêmement rares, explique Roberto Carlin (Le carlin (vient du nom du comédien Carlo Antonio Bertinazzi) est une race de chien provenant de Chine (ils étaient les gardiens des temples dans l'ancien temps) et existant en Europe depuis au moins le XVIe siècle....), porte-parole de la collaboration CMS, et ne sont pas attendues dans les événements observés au LHC, à moins que n'intervienne de la physique au-delà du Modèle standard." Les données analysées ont permis à CMS d'exclure qu'environ plus de 1,9% des bosons de Higgs puissent se désintégrer en Zρ et plus de 0,6% se désintégrer en Zφ. Même si ces limites sont très supérieures aux prédictions du Modèle standard, elles montrent la capacité des détecteurs de s'aventurer dans la recherche de physique au-delà du Modèle standard.

On parle de "secteur noir" pour désigner des particules hypothétiques qui pourraient constituer la 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...) noire, cet élément mystérieux qui représenterait plus de cinq fois la 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...) de la matière ordinaire dans l'Univers (L'Univers est l'ensemble de tout ce qui existe et les lois qui le régissent.). Les scientifiques estiment que le boson de Higgs pourrait révéler des indices au sujet de la nature des constituants de la matière noire, car certaines "extensions" du Modèle standard émettent l'hypothèse qu'un boson de Higgs puisse se désintégrer en particules de matière noire. Ces particules n'interagiraient pas avec les détecteurs ATLAS et CMS, ce qui signifie qu'elles resteraient invisibles pour eux, et échapperaient à la détection directe ; elles se manifesteraient sous la forme d'"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.) manquante" dans l'événement 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.). À la conférence LHCP, ATLAS a présenté les limites supérieures les plus récentes - de 13% - concernant la probabilité qu'un boson de Higgs puisse se transformer en des particules invisibles dénommées WIMP (weakly interacting massive particles (En astrophysique, les WIMPs (acronyme anglais pour « particules massives interagissant faiblement ») forment une solution au problème de la matière noire.) - particules massives interagissant faiblement), alors que CMS a présenté des résultats d'une nouvelle recherche portant sur les transformations du Higgs en quatre leptons via au moins un "photon noir" intermédiaire, présentant également des limites sur la probabilité qu'une telle transformation se produise au LHC.

Le boson de Higgs continue ainsi à se révéler précieux pour les scientifiques, les aidant à mettre à l'épreuve le Modèle standard de la physique des particules, mais aussi à explorer la physique qui pourrait se situer au-delà de ce Modèle standard. Ce sont là quelques-uns des nombreux résultats concernant le boson de Higgs qui ont été présentés à la conférence. Vous trouverez des articles plus détaillés à ce sujet sur les sites web d'ATLAS et de CMS.

Note technique

Lorsque les volumes de données ne sont pas assez importants pour qu'il soit possible de revendiquer une 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 appropriés. Le plaisir procuré...) avérée d'un processus donné, les scientifiques sont en mesure de prédire les limites qui peuvent être fixées pour ce processus. Dans le cas des désintégrations du Higgs, ces limites reposent sur le produit de deux termes: le taux de production du boson de Higgs dans les collisions proton-proton (la section efficace (Une section efficace est une grandeur physique correspondant à la probabilité d'interaction d'une particule pour une réaction donnée de la physique nucléaire ou de la physique des particules....) de production) et le taux de sa désintégration en particules plus légères (le rapport d'embranchement).

ATLAS prévoyait de fixer une limite supérieure égale à 1,7 fois la valeur prédite par le Modèle standard pour le processus de désintégration du Higgs en un boson Z et un photon (H→Zγ) si cette désintégration n'était pas présente. En fait, la collaboration a pu fixer une limite supérieure égale à 3,6 fois cette valeur, ce qui signifie que la sensibilité des mesures est proche des prédictions du Modèle standard. Les recherches de CMS portaient sur un processus beaucoup plus rare, devant, selon les prédictions du Modèle standard, se produire une fois par million (Un million (1 000 000) est l'entier naturel qui suit neuf cent quatre-vingt-dix-neuf mille neuf cent quatre-vingt-dix-neuf (999 999) et qui précède un...) de désintégrations du Higgs. La collaboration a pu fixer des limites supérieures égales à environ 1000 fois la valeur prédite par le Modèle standard pour les processus H→Zρ et H→Zφ.

Liens vers les articles et notes:
- Recherche d'ATLAS pour H→Zγ: https://cds.cern.ch/record/2717799
- Recherche de CMS pour H→Zρ ou H→Zϕ: https://cds.cern.ch/record/2718949
- Recherche d'ATLAS pour les transformations "invisibles" d'un boson de Higgs: https://cds.cern.ch/record/2715447
- Recherche de CMS pour les transformations d'un boson de Higgs dans lesquelles sont impliquées un photon noir: https://cds.cern.ch/record/2718976
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