Percée en physique des particules : premières preuves de la décomposition rare du boson de Higgs

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La physique des particules étudie les particules élémentaires et leurs interactions, formant la base de la compréhension de l’Univers. Récemment, une avancée majeure dans ce domaine a été réalisée avec la découverte des premiers signes de la rare décomposition du boson de Higgs en un photon et un boson Z. Cette découverte pourrait révéler l’existence de particules inconnues et ouvrir la voie à de nouvelles théories en physique.

Le boson de Higgs, une particule fondamentale qui confère leur masse aux autres particules, souvent appelées la « particule de Dieu », a été découvert en 2012 au Grand collisionneur de hadrons (LHC) du CERN. Depuis lors, les collaborations ATLAS et CMS ont travaillé sans relâche pour étudier les propriétés de cette particule unique et déterminer les différentes manières dont elle est produite et se décompose en d’autres particules.

Il faut savoir que la décomposition d’une particule est un phénomène courant dans le monde quantique, mais capturer ces moments éphémères est un véritable défi. En comptabilisant les traces laissées par la désintégration d’une particule dans le tumulte d’un collisionneur, les physiciens peuvent construire une image des différentes façons dont les particules se transforment lors de ce processus et réapparaissent brièvement sous de nouvelles formes.

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Récemment, des physiciens ont révélé les premiers signes de la rare transformation du boson de Higgs en un photon et un boson Z. Bien que les résultats soient encore loin d’être considérés comme significatifs, ils offrent une première preuve de ce processus extrêmement rare. Cette découverte a été annoncée lors de la conférence sur la physique du LHC à Belgrade du 22 au 26 mai 2023.

Une décomposition furtive

La décomposition du boson de Higgs en un photon et un boson Z est un processus rare et complexe qui est prédit par le Modèle Standard de la physique des particules, avec une probabilité d’environ un sur mille, soit environ 0,15 % de toutes les décompositions du boson de Higgs. Toute divergence par rapport à ce chiffre pourrait soutenir des modèles alternatifs.

Comme mentionné précédemment, le boson de Higgs est une particule fondamentale qui donne leur masse aux autres particules. Lorsqu’il se désintègre, il se transforme en d’autres particules. Dans ce cas particulier, il se désintègre en un photon — une particule de lumière, dépourvue de masse, et un boson Z — une particule qui transporte la force faible (une des quatre forces fondamentales de la nature), les autres étant la gravité, l’électromagnétisme et la force forte. Elle est responsable de certains types de désintégration radioactive, comme la désintégration bêta, où un neutron se transforme en un proton.

Cependant, le boson de Higgs ne se désintègre pas directement en ces deux particules. Au lieu de cela, la désintégration se produit via une boucle intermédiaire de particules « virtuelles » qui apparaissent et disparaissent et ne peuvent pas être directement détectées.

La détection de cette décomposition rare du boson de Higgs est importante car elle pourrait fournir des indices sur l’existence de nouvelles particules et de nouvelles forces qui ne sont pas prédites par le Modèle Standard, comme l’énergie noire qui « étire » l’espace. C’est pourquoi les physiciens sont très intéressés par l’étude de ces décompositions du boson de Higgs.

Des données supplémentaires essentielles

Étant un événement très rare, pour détecter les premiers signes de cette décomposition, les physiciens ont dû analyser une énorme quantité de données issues de plusieurs années de collisions de protons à l’intérieur de deux détecteurs différents du LHC, ATLAS et CMS.

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Événements candidats d’ATLAS (à gauche) et de CMS (à droite) pour un boson de Higgs se désintégrant en un boson Z et un photon, le boson Z se désintégrant en une paire de muons. © CERN

Ils ont utilisé des techniques avancées de machine learning pour distinguer les événements de signal (associés à cette décomposition du boson de Higgs) d’un bruit de fond d’événements. En combinant les ensembles de données collectées lors de la deuxième série d’expériences du LHC, qui a eu lieu entre 2015 et 2018, ils ont pu augmenter significativement la précision statistique et la portée de leurs recherches.

Bien que les résultats actuels de l’étude soient en accord avec les 0,15% du Modèle Standard, les chercheurs ne sont que modérément confiants. Concrètement, malgré une quantité conséquente de données, ils n’ont pas encore observé assez de désintégrations du boson de Higgs pour être absolument sûrs que leurs résultats soient corrects.

Des expériences plus importantes, peut-être en utilisant une meilleure technologie, pourraient encore révéler de petites différences indiquant l’existence de nouvelles particules ou de nouvelles forces, ouvrant ainsi la voie à de nouvelles théories en physique des particules.

Pamela Ferrari, coordinatrice de la physique pour l’expérience ATLAS du CERN, déclare dans un communiqué : « Chaque particule a une relation spéciale avec le boson de Higgs, ce qui fait de la recherche de décompositions rares du Higgs une priorité élevée ». Florencia Canelli, coordinatrice de la physique du détecteur CMS du CERN, ajoute : « L’existence de nouvelles particules pourrait avoir des effets très significatifs sur les modes de décomposition rares du Higgs ».

Avec la troisième série d’expériences en cours au LHC et le futur LHC à haute luminosité, la précision de ces tests du Modèle standard sera améliorée et permettra de sonder des décompositions de Higgs encore plus rares. Elles pourront potentiellement conduire à une révision de la compréhension actuelle de la physique des particules.

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