Les physiciens travaillent sur le boson de Higgs, et cette fois-ci, ils ont découvert une interaction rare avec l’une des particules fondamentales les plus lourdes connues en physique, le quark supérieur. Le Grand collisionneur de hadrons a effectué une nouvelle détection majeure du fameux boson de Higgs
Le bref mélange de ces rencontres incroyablement rares a fourni aux physiciens des informations importantes sur la nature de la masse, et sur la question de savoir si la physique a plus à offrir que ce que prévoit le modèle existant.
Les résultats produits par les expériences ATLAS et CMS de l’Organisation européenne pour la recherche nucléaire (CERN) contribuent à confirmer la force du lien entre les bosons de Higgs et les quarks supérieurs.
Étant donné que les bosons de Higgs sont responsables de la masse des particules fondamentales, l’obtention de données concrètes à comparer aux prédictions est un motif de réjouissance.
Bien que nous soyons confrontés à la masse tous les jours – que ce soit sous la forme de l’attraction de la gravité ou en surmontant l’inertie pour faire bouger notre corps – il est difficile de comprendre sa cause fondamentale.
La célèbre équation E=mc^2 d’Einstein est une description de la masse en tant qu’énergie. Assembler des particules de base pour former des neutrons et des protons nécessite de l’énergie, et cet effort contribue à la sensation de lourdeur d’un atome.
Mais voilà : certaines particules fondamentales ont toujours une masse même lorsqu’elles n’exercent aucun effort. Alors d’où vient leur masse ?
Il y a cinquante ans, un scientifique du nom de Peter Higgs s’est dit qu’il devait y avoir un boson – une particule de la même catégorie que les photons – qui interagissait avec eux dans un champ spécial, comblant ainsi le petit bout d’énergie manquant qui complète la masse d’un objet.
Pendant des décennies, cette étrange petite particule a été la pièce manquante du puzzle du modèle standard – la dernière particule fondamentale à être confirmée expérimentalement. Finalement, en 2012, les rumeurs selon lesquelles le boson de Higgs avait été repéré dans le Grand collisionneur de hadrons ont été confirmées, et le modèle standard était ainsi complet.
Aussi étonnant que cela puisse être, ce n’est que le début de notre exploration du boson de Higgs. Nous devons encore mesurer ce petit effort qui est responsable de la masse manquante, et les quarks supérieurs sont un bon point de départ.
Leurs frères et sœurs, les quarks up et down, sont à l’origine des protons et des neutrons. Mais les quarks supérieurs ne restent pas assez longtemps pour former ce que la plupart d’entre nous pourraient reconnaître, se désintégrant en une fraction de seconde.
Ils sont cependant remarquablement lourds. Un électron a environ trois millions de fois la masse d’un quark supérieur, ce qui indique une interaction relativement forte avec le champ de Higgs.
Pour capter cette interaction, il faut que des indices d’un boson de Higgs apparaissent en même temps qu’un quark top dans ce qu’on appelle une production ttH. C’est plus facile à dire qu’à faire. Aucune des deux particules n’existe assez longtemps pour être observée directement, et seul 1 % des bosons de Higgs produits aux énergies du LHC apparaissent en même temps qu’un quark top.
Pour les repérer, les physiciens ont dû passer au crible les données de deux expériences de collision différentes, à la recherche de combinaisons de signatures des particules moins instables dans lesquelles ils se brisent.
C’est comme trouver des mesures de la force avec laquelle deux célébrités se sont serrées la main lors d’une soirée exclusive après qu’elles soient rentrées chez elles. Mais en beaucoup plus difficile.
En trouvant suffisamment de “poignées de main de célébrités” et en comparant leurs résultats, les chercheurs des deux expériences sont désormais convaincus d’avoir les bons chiffres pour décrire la force d’un couplage Higgs-quark supérieur.
“Ces mesures effectuées par les collaborations CMS et ATLAS donnent une forte indication que le boson de Higgs joue un rôle clé dans la grande valeur de la masse du quark top”, déclare le physicien Karl Jakobs, porte-parole de la collaboration ATLAS.
“Bien qu’il s’agisse certainement d’une caractéristique essentielle du modèle standard, c’est la première fois qu’elle est vérifiée expérimentalement avec une importance écrasante.”
D’autres informations devraient être recueillies dans les mois à venir, dans l’espoir d’obtenir un chiffre plus précis qui pourrait fournir des indices sur quelque chose de moins attendu.
“Lorsque ATLAS et CMS termineront la prise de données en novembre 2018, nous aurons suffisamment d’événements pour remettre encore plus fortement en question la prédiction du modèle standard pour le ttH, afin de voir s’il y a une indication de quelque chose de nouveau, explique Joel Butler, porte-parole de la collaboration CMS.
Il s’agit plus d’une situation de “doigts croisés” que d’une attente solide. Mais il y a encore de grands mystères en physique, notamment la question de savoir pourquoi les choses existent.
Tout signe de nouveauté figure en bonne place sur la liste des souhaits des physiciens des particules.
Cette recherche a été publiée dans Physical Review Letters.