Le boson de Higgs est particulier à bien des égards. Comme la plupart des autres particules élémentaires, il est instable et ne vit qu’un temps extrêmement court, 1.6*10-22 secondes, selon le modèle standard de la physique des particules. La mesure expérimentale de la durée de vie de la particule est très importante : elle nous permet d’en savoir plus sur la force de son interaction avec d’autres particules et fournit une fenêtre pour jeter un coup d’œil à la physique au-delà de la théorie actuelle. Dans une nouvelle étude, des physiciens de la collaboration CMS (Compact Muon Solenoid) au Grand collisionneur de hadrons (LHC) du CERN ont trouvé une valeur pour la durée de vie de la particule qui présente une incertitude suffisamment faible pour confirmer que le boson de Higgs a bien une durée de vie aussi courte.
Un candidat au boson de Higgs se transformant en quatre muons (lignes rouges). Crédit image : CERN.
La mesure de la durée de vie du boson de Higgs figure en bonne place sur la liste des souhaits des physiciens des particules, car une valeur expérimentale de la durée de vie leur permettrait non seulement de mieux comprendre la nature de la particule, mais aussi de savoir si cette valeur correspond ou non à celle prédite par le modèle standard de la physique des particules.
Un écart par rapport à la prédiction pourrait indiquer l’existence de nouvelles particules ou forces non prévues par le modèle standard, y compris de nouvelles particules dans lesquelles le boson de Higgs se désintégrerait.
Mais il n’est pas facile de mesurer la durée de vie du boson de Higgs. D’une part, la durée de vie prévue est trop courte pour être mesurée directement.
Une solution possible consiste à mesurer une propriété connexe appelée la largeur de masse, qui est inversement proportionnelle à la durée de vie et représente la petite gamme de masses possibles autour de la masse nominale de la particule de 125 GeV.
Mais ce n’est pas facile non plus, car la largeur de masse prédite du boson de Higgs est trop petite pour être facilement mesurée par des expériences.
En plus d’être produite avec une masse égale ou proche de sa valeur nominale, une particule à courte durée de vie comme le boson de Higgs peut également être produite avec une masse beaucoup plus grande que la valeur nominale, bien que les chances que cela se produise soient plus faibles.
Cet effet – et en fait la largeur de la masse de la particule – est une manifestation d’une bizarrerie quantique connue sous le nom de principe d’incertitude d’Heisenberg, et une comparaison entre le taux de production de ces bosons de Higgs de grande masse (hors enveloppe) et celui des bosons de Higgs nominaux ou proches de la valeur nominale (sur enveloppe) peut être utilisée pour extraire la largeur de la masse du boson de Higgs et donc sa durée de vie.
En utilisant cette méthode, les physiciens de la collaboration CMS ont obtenu la toute première preuve de la production de bosons de Higgs hors coque.
Dans l’étude, ils ont analysé les données recueillies par l’expérience CMS au cours de la deuxième phase du LHC, en particulier les données sur les bosons de Higgs se transformant en deux bosons Z, qui se transforment eux-mêmes en quatre leptons chargés ou en deux leptons chargés plus deux neutrinos.
A partir de leur résultat, qui n’a qu’une chance sur 1000 d’être un hasard statistique, ils ont obtenu une durée de vie du boson de Higgs de 2.1*10-22 secondes.
Cette valeur, la plus précise à ce jour, s’aligne bien sur la prédiction du modèle standard et confirme que la particule a bien une minuscule durée de vie.
“Notre résultat démontre que la production de bosons de Higgs hors coque offre un excellent moyen de mesurer la durée de vie du boson de Higgs”, a déclaré le Dr Pascal Vanlaer, membre de la collaboration CMS.
“Et cela pose un jalon dans l’étude des propriétés de cette particule unique”.
“La précision de la mesure devrait s’améliorer dans les années à venir grâce aux données des prochains passages du LHC et à de nouvelles idées d’analyse.”
Les résultats ont été publiés sur le serveur d’information CDS du CERN.
