Boson de Higgs : le LHC met en évidence le couplage entre le champ de Higgs et le quark Top

Depuis sa détection en 2012, le boson de Higgs continue de mobiliser les physiciens, car il constitue un élément primordial du Modèle Standard des particules. En effet, selon le mécanisme de Brout-Englert-Higgs, c’est le champ de Higgs qui confère leur masse aux particules élémentaires. Il y a quelques jours, le LHC et la collaboration CMS ont rapporté la nouvelle détection d’un boson de Higgs lors de son interaction avec une paire de quark-antiquark Top.

En 1964, les physiciens François Englert, Robert Brout, Peter Higgs, Gerald Guralnik, Carl Richard Hagen et Thomas Kibble, développent un mécanisme théorique décrivant la façon dont une particule élémentaire acquiert sa masse. Lorsqu’une particule élémentaire se couple au champ de Higgs, un champ quantique présent en tout point de l’espace, cette interaction lui confère sa masse — la masse dépendant de l’intensité du couplage entre la particule et le champ —, et un boson de Higgs est émis. Ce processus prendra le nom de mécanisme de Brout-Englert-Higgs, ou tout simplement de mécanisme de Higgs.

Le mécanisme de Higgs n’est donc responsable que de la masse des particules élémentaires. La masse de la matière baryonique qui nous entoure, composée de protons et neutrons, ne provient pas du champ de Higgs mais d’un tout autre processus physique. En effet, par exemple, un proton est composé de trois quarks, chacun acquérant sa masse via le champ de Higgs.

Cependant, la somme de la masse des trois quarks est très inférieure à la masse du proton. La majorité de la masse d’un proton provient de l’énergie contenue dans les liaisons entre les quarks, effectuées par les gluons (bosons de l’interaction nucléaire forte) par l’équivalence E = mc². Néanmoins, contraindre la fraction de la masse des particules élémentaires acquise via le champ de Higgs est décisif pour confronter le Modèle Standard.

Malgré sa mise en évidence au LHC le 4 juillet 2012, l’étude du boson de Higgs ne fait que commencer. De nombreux aspects du mécanisme de Higgs demeurent encore incompris et doivent être élucidés. Le meilleur moyen d’y parvenir est de pouvoir étudier le comportement des particules très massives, c’est-à-dire des particules possédant un fort couplage avec le champ de Higgs. Le quark Top est donc un bon candidat, avec une masse de 173.34 GeV.

Détecter l’interaction entre le champ de Higgs et un quark Top s’avère toutefois extrêmement compliqué, puisque pour valider un tel couplage, un quark Top (plus précisément une paire de quark-antiquark Top) doit être observé simultanément avec un boson de Higgs (témoin du couplage) ; ce que les physiciens appellent une production $t\overline{t}H$. Toutefois, les masses de ces deux particules (125.09 GeV pour le boson de Higgs) les rendent très instables et moins d’1% des bosons de Higgs produits au LHC accompagnent des quarks Top.

Les physiciens ont ainsi dû analyser les résultats de deux expériences différentes — CMS et ATLAS — dans le but d’identifier des signatures d’une production t$\stackrel{}{}$tH. Après un long travail de recherche, ils ont enfin pu confirmer, avec une fidélité de 4.2σ, le couplage d’une paire de quark-antiquark Top avec le champ de Higgs, et ont pu déterminer l’intensité de ce couplage.

« Ces mesures réalisées par les collaborations CMS et ATLAS offrent une forte preuve de l’implication du champ de Higgs dans la majorité de la masse du quark Top. Bien qu’il s’agisse d’un élément clé du Modèle Standard, c’est la première fois qu’il est vérifié expérimentalement avec une telle fidélité » explique Karl Jakobs, porte-parole d’ATLAS.

D’autres informations doivent être collectées dans les mois suivants afin d’approfondir le couplage entre le champ de Higgs et les particules élémentaires massives. « Quand les collaborations CMS et ATLAS auront fini de recueillir les données en novembre 2018, nous en aurons assez pour confronter encore plus intensément les prédictions du Modèle Standard concernant la production $t\overline{t}\mathrm{H\; et\; voir\; si\; une\; nouvelle\; physique\; se\; cache\; derrière}$ » conclut la collaboration CMS.

Source : Physical Review Letters