En incluant des corrections jusqu’ici négligées dans les modèles décrivant les mécanismes de formation du boson de Higgs, des physiciens ont constaté qu’il n’y a aucun signe suggérant une nouvelle physique, contrairement à ce que les chercheurs avançaient au départ. Bien que cela n’exclue pas nécessairement la possibilité de nouvelles lois physiques liées au boson, de nombreuses questions demeurent sans réponse quant aux constituants fondamentaux de l’Univers, et ce, même plus d’une décennie après sa découverte.
Détecté pour la première fois en 2012 à l’aide du Grand collisionneur de hadrons (LHC), le boson de Higgs représente probablement l’une des plus grandes découvertes dans le domaine de la physique moderne. Cela a permis de répondre à la question de longue date concernant la masse des particules élémentaires. Cette particule restée longtemps insaisissable joue notamment un rôle clé dans le mécanisme physique conférant la masse des autres particules élémentaires.
Les propriétés de ces particules élémentaires (quarks, électrons, muons, tau et neutrinos) ainsi que les forces électromagnétiques et nucléaires, ont initialement été prédites par le modèle standard de la physique. Cependant, ce modèle comporte des lacunes et nécessite, selon les physiciens, de nouvelles lois pour répondre à des questions fondamentales encore aujourd’hui non résolues. Parmi ces questions figurent par exemple la nature ou la composition de la matière noire et la prédominance de la matière par rapport à l’antimatière dans l’Univers.
Les chercheurs estiment depuis sa découverte que le boson de Higgs permettra peut-être de découler sur de nouvelles lois expliquant ces constats. Depuis sa découverte, les recherches se concentrent donc sur l’étude de ses propriétés. Cependant, il s’agit d’une tâche extrêmement difficile comportant de nombreux défis expérimentaux. Il est important de rappeler qu’il a fallu plus de 40 ans et un dispositif de 4,75 milliards de dollars (le LHC) pour effectuer les expériences menant à la découverte de la particule.
Des chercheurs de l’Université RWTH d’Aix-la-Chapelle (en Allemagne), de l’Institut Max Planck de physique et de l’Institut polonais Henryk Niewodniczański de physique nucléaire, ont effectué de nouveaux calculs dans ce sens. Leurs résultats — détaillés dans la revue Physical Review Letters —, suggèrent que le boson de Higgs pourrait en fin de compte ne pas découler sur les nouvelles lois physiques tant attendues.
« Aucun signe avant-coureur d’une nouvelle physique »
Pour étudier les propriétés du boson de Higgs, les chercheurs de la nouvelle étude ont apporté des corrections aux calculs pour déterminer la section efficace active de la production de la particule. La section efficace est l’un des paramètres les plus importants liés aux collisions des particules élémentaires. Elle détermine notamment la fréquence à laquelle une particule peut apparaître lors d’une collision spécifique.
« Nous nous sommes concentrés sur la détermination théorique de la section efficace du boson de Higgs dans les collisions gluon-gluon. Elles sont responsables de la production d’environ 90 % des bosons de Higgs, dont les traces de présence ont été enregistrées dans les détecteurs de l’accélérateur LHC », explique dans un communiqué le coauteur principal de l’étude, René Poncelet, de l’Institut Henryk Niewodniczański de physique nucléaire.
D’un autre côté, en raison de leur influence a priori mineure et afin de simplifier les calculs, certaines corrections sont généralement négligées lors de la caractérisation des propriétés du boson de Higgs. « C’est la première fois que nous réussissons à surmonter les difficultés mathématiques et à déterminer ces corrections », indique Michal Czakon de l’Université RWTH d’Aix-la-Chapelle, auteur principal de l’étude. Les chercheurs ont démontré que bien qu’initialement considérées comme négligeables, les corrections introduites contribuent à près d’un cinquième de la valeur de la section efficace du boson.
D’autre part, les physiciens ont également pris en compte la masse des quarks bottom (ou quarks beau), ce qui a induit un décalage de 1 % par rapport aux calculs précédents. En effet, le LHC effectue des collisions de protons, constitués de deux quarks up et d’un quark down. La présence temporaire d’un quark de plus grande masse (le quark beau) est due à la nature quantique des interactions fortes qui lient les quarks entre eux dans le proton.
Cependant, malgré les corrections, les valeurs de la section efficace du boson de Higgs concordent avec celles mesurées lors des précédentes collisions. « Il semble donc qu’aucun signe avant-coureur d’une nouvelle physique ne soit visible dans les mécanismes responsables de la formation du boson de Higgs que nous étudions, du moins pour le moment », indique Poncelet.
Toutefois, ces résultats ne signifient pas nécessairement qu’aucune nouvelle loi physique ne peut découler du boson de Higgs, ont précisé les experts. Les prochaines données du LHC pourraient introduire de nouvelles variables pouvant potentiellement changer la donne. Par ailleurs, le nombre croissant de collisions de particules réalisables pourrait permettre de réduire les incertitudes de mesure, de sorte que les sections efficaces pour la production du boson de Higgs ne correspondent plus à celle prédite par la théorie.
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