Les symétries font tourner le monde, mais les asymétries aussi. C’est le cas de l’asymétrie connue sous le nom d’asymétrie de charge-parité, qui est nécessaire pour expliquer pourquoi la matière est largement supérieure à l’antimatière dans l’Univers, alors que les deux formes de matière auraient dû être créées en quantités égales lors du Big Bang.
Événements candidats ATLAS (gauche) et CMS (droite) pour la désintégration d’un boson de Higgs en une paire de leptons tau. Crédit image : CERN.
Le modèle standard de la physique des particules comprend des sources d’asymétrie charge-parité (CP), et certaines de ces sources ont été confirmées par des expériences.
Cependant, ces sources génèrent collectivement une quantité d’asymétrie CP bien trop faible pour expliquer le déséquilibre matière-antimatière dans l’Univers, ce qui pousse les physiciens à chercher de nouvelles sources d’asymétrie CP.
Dans deux études indépendantes, les physiciens des collaborations ATLAS et CMS au Grand collisionneur de hadrons (LHC) du CERN se sont tournés vers le boson de Higgs pour voir si cette particule unique cache une nouvelle source inconnue d’asymétrie CP.
Les chercheurs avaient déjà cherché – et trouvé – aucun signe d’asymétrie CP dans les interactions du boson de Higgs avec d’autres bosons ainsi qu’avec la particule fondamentale connue la plus lourde, le quark top.
Dans leurs dernières études, ils ont cherché cette asymétrie dans l’interaction entre le boson de Higgs et le lepton tau, une version plus lourde de l’électron.
Pour rechercher cette asymétrie, les équipes d’ATLAS et de CMS ont d’abord cherché des bosons de Higgs se désintégrant en paires de leptons tau dans les données de collisions proton-proton enregistrées par les expériences lors du deuxième passage du LHC.
Les scientifiques ont ensuite analysé la cinématique de cette désintégration, qui dépend d’un angle, appelé angle de mélange, qui quantifie la quantité d’asymétrie CP dans l’interaction entre le boson de Higgs et le lepton tau.
Dans le modèle standard, l’angle de mélange est égal à zéro et l’interaction est donc symétrique CP, ce qui signifie qu’elle reste la même sous une transformation qui échange une particule avec l’image miroir de son antiparticule.
Dans les théories qui étendent le modèle standard, cependant, l’angle peut s’écarter de zéro et l’interaction peut être partiellement ou totalement asymétrique en fonction de l’angle (un angle de -90 ou +90 degrés correspond à une interaction totalement asymétrique, tandis que tout angle intermédiaire, à l’exception de 0 degré, correspond à une interaction partiellement asymétrique).
Après avoir analysé leurs échantillons de désintégrations de bosons de Higgs en leptons tau, l’équipe ATLAS a obtenu un angle de mélange de 9 ± 16 degrés et l’équipe CMS -1 ± 19 degrés, ce qui exclut dans les deux cas une interaction boson de Higgs-tau lepton totalement asymétrique en CP avec une signification statistique d’environ trois écarts-types.
Les résultats sont cohérents avec le modèle standard dans le cadre de la précision de mesure actuelle.
“D’autres données nous permettront soit de confirmer cette conclusion, soit de repérer une asymétrie CP dans l’interaction boson de Higgs-tau lepton, ce qui aurait un impact profond sur notre compréhension de l’histoire de l’Univers”, ont déclaré les physiciens.
