Aujourd’hui, exactement dix ans après avoir annoncé la découverte du boson de Higgs, les collaborations internationales ATLAS et CMS au Large Hadron Collider (LHC) rapportent les résultats de leurs études les plus complètes à ce jour sur les propriétés de cette particule unique. Les études indépendantes, décrites dans deux articles publiés aujourd’hui dans La nature, montrent que les propriétés de la particule sont remarquablement cohérentes avec celles du boson de Higgs prédites par le modèle standard de la physique des particules. Les études 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 éclaircir certains des plus grands mystères de la physique, tels que la nature de la mystérieuse matière noire présente dans le univers.
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. Sans ce champ, les particules élémentaires telles que les quarks constituants 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 transportent les particules faibles chargées. force, qui initie la réaction nucléaire qui alimente le Soleil.
Afin d’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 combinent de nombreux processus complémentaires dans lesquels le boson de Higgs est produit et « se désintègre » en d’autres particules.
C’est ce que les collaborations ont fait dans leurs nouvelles études indépendantes, en utilisant leurs ensembles de données complets du LHC Run 2, qui comprennent chacun plus de 10 000 milliards de collisions proton-proton et environ 8 millions de bosons de Higgs, soit 30 fois plus qu’au moment de la découverte de la particule. Les nouvelles études combinent chacune un nombre et une variété sans précédent de processus de production et de désintégration du boson de Higgs pour obtenir l’ensemble de mesures le plus précis et le plus détaillé à ce jour de leurs taux, ainsi que de la force des interactions du boson de Higgs avec d’autres particules.
Toutes les mesures sont remarquablement cohérentes avec les prédictions du modèle standard dans une plage d’incertitudes dépendant, entre autres critères, de l’abondance d’un processus donné. Pour la force d’interaction du boson de Higgs avec les porteurs de la force faible, une incertitude de 6 % est atteinte. À titre de comparaison, des analyses similaires avec les ensembles de données complets de l’essai 1 ont entraîné 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 », déclare Andreas Hoecker, porte-parole d’ATLAS. « Le secteur de Higgs est directement lié à des questions très profondes liées 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 LHC. »
« Dessiner un tel portrait du boson de Higgs si tôt était impensable avant que le LHC ne commence à fonctionner », déclare Luca Malgeri, porte-parole de CMS. « Les raisons de cette réussite sont multiples et comprennent les performances exceptionnelles du LHC et des détecteurs ATLAS et CMS, ainsi que les techniques ingénieuses d’analyse des données employées. »
Les nouvelles analyses combinées fournissent également, entre 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, tels que la désintégration du boson de Higgs en particules invisibles qui peuvent constituer la matière noire.
ATLAS et CMS continueront de révéler la nature du boson de Higgs à l’aide des données du run 3 du LHC, qui débute demain à une nouvelle frontière des hautes énergies, et de la mise à niveau majeure du collisionneur, le LHC à haute luminosité (HL-LHC), de 2029. Avec environ 18 millions de bosons de Higgs qui devraient être produits dans chaque expérience de la phase 3 et quelque 180 millions dans les phases du HL-LHC, les collaborations espèrent non seulement réduire de manière significative les incertitudes de mesure des interactions du boson de Higgs déterminées jusqu’à présent, mais aussi observer certaines des interactions du boson de Higgs avec les particules de matière plus légères et obtenir la première preuve significative de l’interaction du boson avec lui-même.
La Collaboration CMS. Un portrait du boson de Higgs par l’expérience CMS dix ans après la découverte. La nature (2022). doi.org/10.1038/s41586-022-04892-x , www.nature.com/articles/s41586-022-04892-x
La collaboration ATLAS, Une carte détaillée des interactions du boson de Higgs par l’expérience ATLAS dix ans après la découverte, La nature (2022). DOI : 10.1038/s41586-022-04893-w. www.nature.com/articles/s41586-022-04893-w