Le 4 juillet 2012, les physiciens des collaborations ATLAS et CMS au Grand collisionneur de hadrons du CERN ont annoncé l’observation d’un boson de Higgs à une masse d’environ 125 GeV (gigaelectronvolts). Dix ans plus tard, et avec les données correspondant à la production d’un nombre 30 fois plus important de bosons de Higgs, les chercheurs d’ATLAS et de CMS en ont appris beaucoup plus sur les propriétés de cette particule élémentaire. Leurs résultats, présentés dans deux articles publiés dans la revue Naturemontrent que les propriétés de la particule sont remarquablement cohérentes avec celles du boson de Higgs prédit par le modèle standard de la physique des particules. Ils montrent également que la particule devient de plus en plus un moyen puissant de rechercher de nouveaux phénomènes inconnus qui, s’ils sont découverts, pourraient aider à faire la lumière sur certains des plus grands mystères de la physique, comme la nature de la mystérieuse matière noire présente dans l’Univers.
En 2012, les physiciens des expériences ATLAS et CMS du CERN ont annoncé la découverte d’un nouveau boson ressemblant beaucoup au boson de Higgs. Crédit image : Daniel Dominguez / CERN.
Le modèle standard de la physique des particules décrit les particules et les forces fondamentales connues qui composent notre Univers, à l’exception de la gravité.
L’une des caractéristiques centrales du modèle standard est un champ qui imprègne tout l’espace et interagit avec les particules fondamentales.
L’excitation quantique de ce champ, connu sous le nom de champ de Higgs, se manifeste par le boson de Higgs, la seule particule fondamentale sans spin.
En 2012, une particule aux propriétés compatibles avec le boson de Higgs a été observée par les expériences ATLAS et CMS au Grand collisionneur de hadrons (LHC).
Depuis lors, plus de 30 fois plus de bosons de Higgs ont été enregistrés par les expériences, permettant des mesures beaucoup plus précises et de nouveaux tests de la théorie.
“Le boson de Higgs est la manifestation particulaire d’un champ quantique omniprésent, connu sous le nom de champ de Higgs, qui est fondamental pour décrire l’Univers tel que nous le connaissons”, ont déclaré les physiciens.
“Sans ce champ, les particules élémentaires telles que les constituants quark des protons et des neutrons des noyaux atomiques, ainsi que les électrons qui entourent les noyaux, n’auraient pas de masse, pas plus que les particules lourdes (bosons W) qui portent la force faible chargée, qui initie la réaction nucléaire qui alimente le Soleil.”
Pour explorer tout le potentiel des données du LHC pour l’étude du boson de Higgs, y compris ses interactions avec d’autres particules, ATLAS et CMS ont combiné de nombreux processus complémentaires dans lesquels le boson de Higgs est produit et se désintègre en d’autres particules élémentaires.
Chacun de leurs ensembles de données complets du Run 2 du LHC (entre 2015 et 2018) comprend plus de 10 000 milliards de collisions proton-proton et environ 8 millions de bosons de Higgs.
Les études combinent chacune un nombre et une variété sans précédent de processus de production et de désintégration du boson de Higgs afin d’obtenir l’ensemble de mesures le plus précis et détaillé à ce jour de leurs taux, ainsi que des forces des interactions du boson de Higgs avec d’autres particules.
Toutes les mesures sont remarquablement cohérentes avec les prédictions du modèle standard dans une gamme d’incertitudes dépendant, entre autres critères, de l’abondance d’un processus donné.
Pour l’intensité de l’interaction du boson de Higgs avec les porteurs de la force faible, on obtient une incertitude de 6%.
A titre de comparaison, des analyses similaires avec les ensembles de données complets du Run 1 ont donné une incertitude de 15% pour cette force d’interaction.
“Après seulement dix ans d’exploration du boson de Higgs au LHC, les expériences ATLAS et CMS ont fourni une carte détaillée de ses interactions avec les porteurs de force et les particules de matière”, a déclaré Andreas Hoecker, porte-parole de la collaboration ATLAS.
“Le secteur de Higgs est directement lié à des questions très profondes relatives à l’évolution de l’Univers primitif et à sa stabilité, ainsi qu’au modèle de masse frappant des particules de matière.”
“La découverte du boson de Higgs a déclenché un effort expérimental passionnant, profond et large, qui s’étendra sur l’ensemble du programme du LHC.”
“Esquisser un tel portrait du boson de Higgs aussi tôt était impensable avant que le LHC ne commence à fonctionner”, a déclaré le Dr Luca Malgeri, porte-parole de CMS.
“Les raisons de cette réussite sont multiples et incluent les performances exceptionnelles du LHC et de la CMS.Les détecteurs ATLAS et CMS, ainsi que les techniques ingénieuses d’analyse des données employées.”
Les nouvelles analyses combinées fournissent également, parmi d’autres nouveaux résultats, des limites strictes sur l’interaction du boson de Higgs avec lui-même et également sur de nouveaux phénomènes inconnus au-delà du modèle standard, comme sur les désintégrations du boson de Higgs en particules invisibles qui pourraient constituer la matière noire.
