Des premiers indices d'une désintégration rare du boson de Higgs

Publié par Redbran le 05/08/2020 à 13:00
Source: CERN
Lors de la 40e édition de la conférence ICHEP, les expériences ATLAS et CMS du CERN ont annoncé de nouveaux résultats montrant la désintégration du boson de Higgs en deux muons.


Événements candidats pour la désintégration d'un boson de Higgs en deux muons, enregistrés par les expériences CMS (à gauche) et ATLAS (à droite) (Image: CERN) (Image: CERN)

Genève. Lors de la 40e édition de la conférence ICHEP, les expériences ATLAS et CMS du CERN ont annoncé de nouveaux résultats montrant la désintégration 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...) de Higgs en deux muons. Le 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 fois plus grande que celle de l'électron (105,6 MeV) et...) est une version plus lourde de l'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.), l'une des particules élémentaires constituant 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 gazeux. La matière occupe de l'espace et...) de l'Univers (L'Univers est l'ensemble de tout ce qui existe et les lois qui le régissent.). Alors que les électrons sont classés comme des particules de première génération, les muons appartiennent à la deuxième. La désintégration du boson de Higgs en muons est un processus de physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et...) rare, étant donné qu'un seul boson de Higgs sur 5 000 environ suit ce processus. Ces nouveaux résultats sont d'une importance capitale (Une capitale (du latin caput, capitis, tête) est une ville où siègent les pouvoirs, ou une ville ayant une prééminence dans un domaine social, culturel,...) pour la physique fondamentale (En musique, le mot fondamentale peut renvoyer à plusieurs sens.) parce qu'ils indiquent pour la première fois que le boson de Higgs interagit avec des particules élémentaires de deuxième génération.

Les scientifiques du CERN étudient le boson de Higgs depuis sa découverte en 2012, afin de mieux connaître les propriétés de cette particule très spéciale. Issu de collisions de protons au Grand collisionneur (Un collisionneur est un type d'accélérateur de particules mettant en jeu des faisceaux dirigés de particules élémentaires.) de hadrons (LHC), le boson de Higgs se désintègre presque instantanément en d'autres particules. L'une des méthodes principales pour étudier les propriétés du boson de Higgs consiste à analyser la façon dont il se désintègre en diverses particules fondamentales, ainsi que le taux de désintégration correspondant.

CMS a vu des indices de cette désintégration 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...) de trois sigmas, ce qui signifie que la probabilité (La probabilité (du latin probabilitas) est une évaluation du caractère probable d'un évènement. En mathématiques, l'étude des probabilités est un sujet de grande importance donnant lieu à de...) que l'indice d'une désintégration d'un boson de Higgs 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 muons provienne d'une fluctuation statistique est inférieure à 1/700. Le niveau de deux sigmas obtenu par ATLAS correspond à une probabilité de 1/40. La combinaison (Une combinaison peut être :) des deux résultats augmenterait la signification bien au-delà de trois sigmas et apporterait une preuve encore plus solide de la désintégration du boson de Higgs en deux muons.

"CMS est fière d'avoir atteint cette sensibilité dans les mesures de la désintégration du boson de Higgs en muons, et d'apporter pour la première fois la preuve expérimentale ( En art, il s'agit d'approches de création basées sur une remise en question des dogmes dominants tant sur le plan formel, esthétique, que sur le plan culturel...) de ce processus. Le boson de Higgs semble interagir aussi avec des particules de deuxième génération, conformément aux prédictions du Modèle standard. Nous espérons affiner ce résultat grâce aux données que nous recueillerons au cours de la prochaine période d'exploitation", 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. Il est...), porte-parole de l'expérience CMS.

Le boson de Higgs est la manifestation quantique du champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) de Higgs, qui donne leur 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...) aux particules élémentaires avec lesquelles il interagit, via le mécanisme de Brout-Englert-Higgs. En mesurant le taux auquel le boson de Higgs se désintègre en différentes particules, les physiciens peuvent déduire 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 articles « force...) de l'interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein d'un système. C'est une action réciproque qui suppose l'entrée en contact de sujets.) de celles-ci avec le champ de Higgs: plus le taux de désintégration en une particule donnée (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.) est élevé, plus l'interaction avec le champ est forte. Pour le moment, les expériences ATLAS et CMS ont observé la désintégration du boson de Higgs en différents types de bosons, comme le W et le Z, ainsi qu'en fermions lourds, comme les leptons tau. L'interaction avec les quarks lourds, top et bottom, a été mesurée en 2018. Les muons sont, en comparaison, beaucoup plus légers et interagissent plus faiblement avec le champ de Higgs. Ainsi, aucune interaction entre le boson de Higgs et les muons n'avait encore été observée au LHC.

"Cette manifestation d'un boson de Higgs se désintégrant en particules de matière de deuxième génération confirme le succès du programme de physique sur le boson de Higgs, mené au cours de 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 d'arc est une mesure d'angle plan. ...) exploitation du LHC. Nous sommes capables de mesurer les propriétés du boson de Higgs avec un degré (Le mot degré a plusieurs significations, il est notamment employé dans les domaines suivants :) de précision inédit, et pouvons à présent étudier les modes de désintégration rares. Ces résultats s'appuient sur le vaste 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...) de données du LHC, sur l'efficacité et la performances exceptionnelles du 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 spécifiquement...) ATLAS, ainsi que sur l'utilisation de nouvelles techniques d'analyse, précise Karl Jakobs, porte-parole d'ATLAS.

Ces études sont d'autant plus difficiles que, au LHC, pour chaque boson de Higgs qui se désintègre en deux muons, conformément aux prédictions du Modèle standard, des milliers de paires de muons sont produites, imitant la "signature" expérimentale attendue. La signature caractéristique de la désintégration du boson de Higgs en muons est un petit excédent d'événements produisant des paires de muons qui se manifeste dans la zone des 125 Gev, qui est la masse du boson de Higgs. Isoler les interactions entre le boson de Higgs et les paires de muons est une tâche difficile. À cette fin, les deux expériences mesurent l'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.), l'impulsion et les angles des particules pouvant être des muons issus de la désintégration du boson de Higgs. En outre, la sensibilité des analyses a été améliorée grâce, notamment, à des stratégies sophistiquées de modélisation du bruit de fond (Dans son sens courant, le mot de bruit se rapproche de la signification principale du mot son. C'est-à-dire vibration de l'air pouvant donner lieu à la création d'une...) et à d'autres techniques de pointe telles que les algorithmes d'apprentissage (L’apprentissage est l'acquisition de savoir-faire, c'est-à-dire le processus d’acquisition de pratiques, de connaissances, compétences, d'attitudes ou de valeurs culturelles, par...) 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...). CMS a combiné quatre analyses différentes, optimisées pour pouvoir repérer les événements montrant de possibles signaux d'un mode de production particulier du boson de Higgs. ATLAS a, de son côté, divisé ses événements en 20 catégories ciblant certains modes de production du boson de Higgs.

Les résultats, qui sont conformes pour l'instant (L'instant désigne le plus petit élément constitutif du temps. L'instant n'est pas intervalle de temps. Il ne peut donc être considéré comme une durée.) aux prédictions du Modèle standard, s'appuient sur l'ensemble des données recueillies pendant la deuxième période d'exploitation du LHC. Grâce aux nouvelles données qui seront collectées pendant la prochaine période d'exploitation de l'accélérateur, puis auprès du LHC à haute luminosité (La luminosité désigne la caractéristique de ce qui émet ou réfléchit la lumière.), les collaborations ATLAS et CMS espèrent atteindre la sensibilité (5 sigmas) nécessaire pour établir la découverte de la désintégration du boson de Higgs en deux muons, et fixer des limites aux théories de la physique au-delà du Modèle standard en rapport avec le mode de désintégration du boson de Higgs.

Matériel scientifique

Articles:
Aperçu des analyses de la physique de CMS: https://cds.cern.ch/record/2725423
Article d'ATLAS paru sur arXiv: https://arxiv.org/abs/2007.07830

Notes d'information de physique:
CMS: https://cmsexperiment.web.cern.ch/news/cms-sees-evidence-higgs-boson-decaying-muons
ATLAS: https://atlas.cern/updates/physics-briefing/new-search-rare-higgs-decays-muons

Représentations d'événements et diagrammes:
CMS: https://cds.cern.ch/record/2720665?ln=en
http://cds.cern.ch/record/2725728
ATLAS: https://cds.cern.ch/record/2725717?ln=en
https://atlas.web.cern.ch/Atlas/GROUPS/PHYSICS/PAPERS/HIGG-2019-14
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