La recherche par des physiciens de rares paires de bosons de Higgs pourrait donner lieu à de nouvelles recherches

Le détecteur CMS géant du Large Hadron Collider recherche les événements double-Higgs.

MICHAEL HOCH ET MAXIMILIEN BRICE

Pour les physiciens des particules désireux d'explorer de nouvelles frontières, repérer le boson de Higgs est devenu un triomphe doux-amer. Détectée en 2012 au plus grand atomiseur d'atomes au monde, le Large Hadron Collider (LHC), cette particule longtemps recherchée a comblé la dernière lacune du modèle standard des particules et des forces fondamentales. Mais depuis lors, le modèle standard a résisté à tous les tests, ne donnant aucune allusion à la nouvelle physique. Maintenant, le Higgs lui-même peut offrir un moyen de sortir de l’impasse. Des expérimentateurs du LHC, situés au CERN, le laboratoire européen de physique des particules près de Genève, en Suisse, envisagent de rechercher des collisions qui produisent non pas un seul boson de Higgs, mais deux. Trouver plus de ces rares événements double-Higgs que prévu pourrait indiquer des particules ou des forces dépassant le modèle standard et pourrait même aider à expliquer le déséquilibre de la matière et de l'antimatière dans l'univers.

"C'est la prochaine grande chose", déclare Sally Dawson, un théoricien du Brookhaven National Laboratory à Upton (New York) et organisateur d'un atelier la semaine dernière au Laboratoire national des accélérateurs de Fermi (Batavia), dans le Illinois. 100 physiciens se sont réunis pour affiner les outils conceptuels nécessaires à la longue recherche.

Le boson de Higgs joue un rôle particulier dans le modèle standard, qui décrit comment une douzaine de types de particules interagissent à travers trois forces: l'électromagnétisme et les forces nucléaires faibles et fortes. (La théorie n'inclut pas la gravité, un défaut majeur.) Les forces dans le modèle proviennent de certaines symétries mathématiques. Mais ce calcul ne fonctionne que tant que les particules ne commencent pas par la masse. Donc, la masse doit émerger d'une manière ou d'une autre à travers les interactions entre les particules sans masse elles-mêmes.

C'est là qu'intervient le Higgs. Les physiciens supposent que l'espace contient un champ de Higgs - un peu comme un champ électrique - généré par les bosons de Higgs cachés dans le vide. Les particules interagissent avec le champ pour gagner de l'énergie et, grâce à la célèbre équation d'Albert Einstein, E = mc 2 , Masse.

Ce mécanisme de Higgs a reçu un soutien retentissant il y a 6 ans, lorsque des expérimentateurs travaillant avec les deux plus grands détecteurs de particules alimentés par le LHC, un ATLAS et le solénoïde compact à muons (CMS) beaucoup comme un proton. Il se décompose de la façon dont le Higgs est supposé, par exemple en une paire de photons. Mais les physiciens ne sont pas sûrs d'avoir observé le boson de Higgs ou quelque chose de subtilement différent.

Les événements Double-Higgs promettent un moyen de dire avec certitude, en révélant à quel point le champ de Higgs interagit avec lui-même. Un champ électrique disparaît en l'absence de charge, mais le champ de Higgs doit toujours rester dans le vide, sinon il ne pourrait pas transmettre la masse aux autres particules. Le modèle standard suppose que cela se produit avec un champ de Higgs qui interagit avec lui-même et minimise son énergie non pas en disparaissant, mais en prenant une force non nulle.

Mathématiquement, il existe de nombreuses façons de concevoir un tel schéma, et le modèle standard utilise le plus simple, contrôlé par un seul paramètre. Ce paramètre, à son tour, prédit la vitesse à laquelle les paires de Higgs devraient émerger lors de collisions de particules, ce qui permettrait aux physiciens de tester le modèle standard.

Le défi consiste à trouver les désintégrations extrêmement rares. Le modèle standard prédit que pour 10 000 collisions proton-proton au LHC produisant un seul boson de Higgs, environ six produiront une paire. Ces événements double-Higgs devraient générer des averses désordonnées d'autres particules, les rendant encore plus difficiles à identifier. Le LHC a probablement déjà produit environ 1000 événements double-Higgs, mais ATLAS et le CMS ne sont pas encore parvenus à passer au crible un signal provenant de l'arrière-plan.

Cependant, les expérimentateurs du LHC se disent optimistes quant à leurs chances, notamment parce que leurs techniques de repérage des bosons de Higgs s'améliorent. Le mois dernier, ils ont annoncé qu'ils avaient détecté un mode de désintégration particulièrement désordonné dans lequel un Higgs engendrait une paire de particules massives appelées quarks de fond, comme cela devrait être le cas dans près de 60% des désintégrations. Cela augure bien pour les recherches double-Higgs, car elles reposent sur au moins un Higgs de la paire qui se dégrade de la manière la plus probable.

Deux bosons de Higgs ont pu se désintégrer dans les quarks inférieurs lors de cette collision de 2016 dans le détecteur ATLAS.

EXPÉRIENCE ATLAS © 2018 CERN

Les expériences du LHC peuvent nécessiter des années pour voir un signal. Plus tard cette année, le LHC restera inactif pendant deux ans pour des mises à niveau. En 2026, il subira une autre interruption de deux ans pour augmenter son taux de collision. Le LHC dit à haute luminosité fonctionnerait jusqu'en 2034. Sur le papier, seul le cycle complet fournira suffisamment de données pour valider la prédiction du modèle standard. Cependant, certains physiciens pensent qu’ils peuvent battre ce calendrier alors que leurs algorithmes de repérage de Higgs continuent de s’améliorer. «Même avant le LHC à haute luminosité, je pense que nous pourrions nous rapprocher de la prédiction du modèle standard», explique Caterina Vernieri, membre de CMS au Laboratoire Fermi.

Bien sûr, tous les expérimentateurs du LHC espèrent que le taux d’événements double Higgs dépassera la prévision du modèle standard. Selon Eleni Vryonidou, théoricien au CERN, cela ne peut être trop élevé ou se heurter à des contraintes indirectes dues aux désintégrations de Higgs observées. Cependant, elle estime que le taux de double Higgs pourrait être six fois plus élevé que la prédiction du modèle standard.

Une telle amélioration indiquerait un champ de Higgs fortement auto-interactif. Il pourrait également signaler les nouvelles particules éphémères qui ont tendance à se désintégrer dans Higgses, comme les partenaires plus lourds de Higgs prédits par de nombreuses extensions de modèles standard. Et cela pourrait avoir des implications bien au-delà de la physique des particules, dit Marcela Carena, théoricienne au Laboratoire Fermi. Les physiciens ne savent pas pourquoi l'univers infantile a fini avec plus de matière que d'antimatière. Mais Carena dit que l’émergence soudaine d’un champ de Higgs fortement auto-interactif pourrait avoir bloqué le déséquilibre.

Même si le taux d'événements double-Higgs ne défie pas les prédictions des modèles standard, la quête de leur décompte sera très rentable, déclare Katharine Leney, une expérimentatrice d'ATLAS à l'University College London. "Ce qui motive beaucoup de gens, y compris moi-même, c'est de pouvoir dire une fois pour toutes, par Dieu, que c'est ou non le modèle standard Higgs."

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