Six ans après la découverte de l’étrange et insaisissable boson de Higgs, des scientifiques travaillant avec le plus grand accélérateur de particules du monde ont enfin observé son mystérieux processus de désintégration, pourtant le plus courant.
En utilisant les données de l’équivalent de l’antimatière, un quark inférieur. En utilisant les données de l’équivalent de l’antimatière, le quark antibottom, les physiciens ont observé le boson se désintégrant en deux particules plus petites – un quark inférieur et son homologue américain
Le modèle standard de la physique des particules prévoit qu’un boson de Higgs se désintégrera en quarks inférieurs – la deuxième plus lourde des saveurs de quark – dans environ 60 % des cas.
Les physiciens ont essayé d’observer ce processus, car cela confirmerait le modèle standard ou montrerait qu’il est insuffisant, ce qui nécessiterait la recherche d’une nouvelle physique pour expliquer cette divergence.
Le problème est que le processus est extraordinairement difficile à saisir en action. Le boson de Higgs est produit par une collision entre deux protons. Si deux gluons à l’intérieur des protons fusionnent et produisent deux quarks supérieurs, ces quarks supérieurs peuvent se recombiner en un boson de Higgs.
Cette particule existe pendant environ un-septillionième de seconde avant de se désintégrer en particules moins massives. C’est la détection de ces particules qui permet aux physiciens des particules de déduire l’existence du boson de Higgs.
Il existe une paire fermion-antifermion, une paire de photons ou une paire de bosons de jauge, qui sont relativement faciles à observer. Ces particules se désintègrent de plusieurs façons, notamment en un quarks inférieur
Mais avec les quarks inférieurs, les choses se compliquent un peu, car chaque collision proton-proton produit une pluie de particules subatomiques, dont des quarks inférieurs. Celles-ci se désintègrent ensuite rapidement en d’autres particules.
(ATLAS/CERN)
Comme l’existence du boson de Higgs est si brève, il a été impossible de déterminer si les quarks inférieurs détectés étaient le résultat de la désintégration du boson de Higgs ou des processus de fond des collisions de protons.
Pour trouver la désintégration, deux collaborations – ATLAS et CMS – ont combiné les données des premier et deuxième passages du Grand collisionneur de hadrons, et les ont analysées pour tenter de trouver des quarks inférieurs à partir des pluies de particules qu’elles ont produites. Ils ont ensuite dû remonter la piste de ces quarks inférieurs jusqu’à un boson de Higgs.
“Trouver un seul événement qui ressemble à deux quarks inférieurs provenant d’un boson de Higgs n’est pas suffisant”, a déclaré Chris Palmer, un physicien de l’université de Princeton qui a travaillé sur l’analyse CMS.
“Nous avons dû analyser des centaines de milliers d’événements avant de pouvoir éclairer ce processus, qui se produit au sommet d’une montagne d’événements de fond d’apparence similaire.”
Cependant, il existe quelques particules qui sont des sous-produits identifiables du mécanisme de production du boson de Higgs.
“Nous avons utilisé ces particules pour marquer les événements potentiels de Higgs et les séparer de tout le reste”, a expliqué Palmer. “Nous avons donc vraiment obtenu un accord deux pour un avec cette analyse, car non seulement nous avons trouvé le boson de Higgs se désintégrant en quarks inférieurs, mais nous avons également appris beaucoup de choses sur ses mécanismes de production.”
Et ils ont confirmé – une nouvelle fois – le modèle standard de la physique des particules, avec lequel le taux de désintégration mesuré correspondait.
Ce résultat ouvre aux scientifiques une nouvelle possibilité d’étudier plus en détail le comportement du boson de Higgs et la manière dont il interagit avec d’autres matières, ainsi que la possibilité qu’il interagisse avec des particules qui n’ont pas encore été découvertes (comme la matière noire).
La prochaine étape de la recherche consistera à affiner les mesures pour étudier le mode de désintégration à une résolution beaucoup plus élevée.
Les deux collaborations ont soumis leurs articles pour publication dans des revues scientifiques et, en attendant, ils peuvent être consultés sur arXiv : la recherche CMS est disponible ici et la recherche ATLAS est disponible ici.