Le champ de Higgs est comme un océan sans fin à travers lequel toute matière nage. Certaines particules sont comme des éponges et s'imprègnent de masse au fur et à mesure qu'elles avancent, tandis que d'autres sont aussi vifs que de minuscules ménés et filent à travers.

La théorie de Higgs est une explication magnifiquement simple pour expliquer pourquoi certaines particules sont massives alors que d'autres ne le sont pas. Mais toutes les prédictions de la théorie de Higgs n'ont pas encore été testées expérimentalement. C'est pourquoi les scientifiques de l'expérience CMS au Grand collisionneur de hadrons examinent le boson de Higgs au microscope et tentent de déterminer comment il s'intègre dans le délicat écosystème des particules.

"Nous savons que le Higgs interagit avec des particules massives porteuses de force, comme le boson W, parce que c'est comme ça que nous l'avons découvert à l'origine, " a déclaré la scientifique Patty McBride du Fermi National Accelerator Laboratory du département américain de l'Énergie, qui soutient les recherches de centaines de scientifiques américains sur l'expérience CMS. "Maintenant, nous essayons de comprendre sa relation avec les fermions."

Les fermions sont des particules qui s'assemblent pour former l'échafaudage invisible à l'intérieur des atomes. Bosons, d'autre part, sont la manifestation physique de forces et effectuent des tâches telles que le collage de fermions ensemble.

En juin 2014, scientifiques de l'expérience CMS ont publié un article dans La nature montrant que le boson de Higgs a une relation avec les fermions en mesurant la vitesse à laquelle il se désintègre en leptons tau, un cousin plus lourd de l'électron. Plus tard, les expériences CMS et ATLAS ont toutes deux trouvé des preuves de la désintégration du boson de Higgs en quarks bottom. Maintenant, les scientifiques s'attaquent à sa relation avec le quark top.

"La relation entre le Higgs et le quark top est particulièrement intéressante car le quark top est la particule la plus massive jamais découverte, " a déclaré McBride. " En tant que " donneur de masse, ' le boson de Higgs devrait être très friand du quark top."

Parce que le quark top est beaucoup plus massif que le boson de Higgs, il est impossible qu'un boson de Higgs se désintègre en une paire de quarks top. Heureusement, il existe une autre façon de mesurer la force du couple du boson de Higgs aux quarks top :en recherchant le cas rare de production simultanée de quarks top et d'un boson de Higgs.

"La production de boson de Higgs est rare - mais la production de Higgs avec des quarks top est la plus rare de toutes, ne représentant qu'environ 1 % des événements du boson de Higgs produits au LHC, " a déclaré Chris Neu, un physicien de l'Université de Virginie qui a travaillé sur cette analyse.

Dans un article publié aujourd'hui dans la revue Lettres d'examen physique , les scientifiques de l'expérience CMS rapportent avoir observé une abondance statistiquement significative d'événements dans lesquels le boson de Higgs est produit en association avec deux quarks top. Le résultat CMS pour ce processus de modèle standard rare avec une signification de 5,2 sigma constitue la première observation qui dépasse le seuil de 5 sigma requis par les physiciens. L'expérience ATLAS a également soumis un article sur le même phénomène pour publication.

Pour obtenir ces résultats, l'expérience CMS a recherché les bosons de Higgs sur la base des nombreuses signatures possibles qu'il peut laisser dans le détecteur.

"Un quark top se désintègre presque exclusivement en un quark bottom et un boson W, " dit Neu. " Le boson de Higgs, d'autre part, a un riche spectre de modes de désintégration, y compris les désintégrations en paires de quarks bottom, bosons W, leptons tau, photons et plusieurs autres. Cela conduit à une grande variété de signatures dans les événements avec deux quarks top et un boson de Higgs. Nous avons poursuivi chacun d'entre eux et combiné les résultats pour produire notre analyse finale."

L'exploration plus approfondie de la relation du boson de Higgs avec le quark top pourrait également être une fenêtre possible vers une nouvelle physique, selon le directeur adjoint du Fermilab Joe Lykken.

« Déterminer ce couplage nous en dira beaucoup sur le comportement du Higgs et sur la façon dont il pourrait également interagir avec d'autres particules que nous n'avons pas découvertes, comme la matière noire, " a déclaré Lykken. " Comprendre en profondeur comment le Higgs interagit avec des particules connues pourrait nous aider à nous amener à une physique au-delà du modèle standard. "