Des physiciens rapportent avoir isolé la première preuve du processus rare dans lequel le boson de Higgs se désintègre en un boson Z, le porteur électriquement neutre de la force faible, et un photon, porteur de la force électromagnétique. Cette désintégration pourrait fournir une preuve indirecte de l’existence de particules au-delà de celles prédites par le modèle standard.
Qu’est-ce que le boson de Higgs ?
Le boson de Higgs est une particule subatomique prédite il y a plusieurs décennies et découverte expérimentalement en 2012 au grand collisionneur de hadrons (LHC). Il s’agissait alors d’une étape majeure dans la confirmation expérimentale du modèle standard qui décrit les particules et leurs interactions fondamentales.
Pour mieux vous représenter ce qu’est le boson de Higgs, imaginez que l’univers est rempli d’un champ appelé le champ de Higgs. Le boson de Higgs est donc la particule associée à ce champ. Il est présent dans tout l’univers et supporte une énergie constante. Lorsqu’une particule interagit avec lui, elle « interagit » avec les particules virtuelles du boson de Higgs qui apparaissent et disparaissent constamment. Cette interaction crée alors une résistance (ou une traînée) qui confère une masse donnée à chaque particule.
Pour prendre une analogie simplifiée, imaginez-vous en train de marcher à travers une foule dense. Lorsque vous interagissez avec les personnes dans la foule, cela ralentit votre mouvement et vous donne une sensation de masse. De manière similaire, les particules interagissent avec le champ de Higgs, ce qui leur confère une masse.
Cependant, toutes les particules n’interagissent pas de la même manière avec le champ de Higgs. Certaines particules interagissent fortement et acquièrent donc une masse importante, tandis que d’autres interagissent plus faiblement et ont une masse plus légère. Cela explique pourquoi différentes particules ont des masses différentes.
Noter que cette explication est une simplification à l’extrême du processus. Le mécanisme exact de la génération des masses dans le modèle standard de la physique des particules est naturellement infiniment plus complexe. Néanmoins, le point à retenir est que le champ de Higgs confère leur masse aux particules. Sans lui, l’univers serait donc très différent.
Une désintégration rare
Depuis sa découverte, des chercheurs ont étudié les propriétés de cette particule unique. Il y a deux ans, on avait alors mesuré sa durée de vie en septillionièmes de seconde. Plus récemment, des physiciens ont cherché à établir les différentes manières dont le Boson de Higgs est produit et se désintègre en d’autres particules.
Le modèle standard prédit que si le boson de Higgs a une masse d’environ 125 milliards d’électronvolts, environ 0,15 % des bosons de Higgs se désintégreront en un boson Z, porteur électriquement neutre de la force faible, et un photon, porteur de la force électromagnétique. Cependant, certaines théories qui étendent le modèle standard prédisent un taux de décroissance différent. La mesure du taux de désintégration fournit donc des informations précieuses sur la nature du boson de Higgs.
Pour ce travail récent, les chercheurs ont uni les détecteurs de particules ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS) et CMS (Compact Muon Solenoid) pour exploiter les modes les plus fréquents de production du boson de Higgs. Les collisions associées à ces désintégrations ont ensuite été identifiées comme un pic étroit dans les données grâce à des techniques avancées d’apprentissage automatique.
Le processus est similaire à une désintégration en deux photons. Notez également que dans ces processus, le boson de Higgs ne se désintègre pas directement en ces paires de particules. Au lieu de cela, les désintégrations procèdent via une « boucle » intermédiaire de particules « virtuelles » qui apparaissent et disparaissent et ne peuvent pas être directement détectées. Ces particules virtuelles pourraient donc inclure de nouvelles particules encore inconnues qui interagissent avec le boson de Higgs.
