Aujourd'hui, scientifiques du CERN, l'Organisation européenne pour la recherche nucléaire, ont annoncé que, pour la première fois, ils ont observé la transformation du boson de Higgs en particules élémentaires appelées quarks bottom au cours de sa désintégration. Les physiciens ont prédit qu'il s'agirait de la manière la plus courante de désintégration de la plupart des bosons de Higgs, mais jusqu'à maintenant, il a été extrêmement difficile de détecter les signaux subtils de la décroissance. La découverte est une étape importante vers la compréhension de la façon dont le boson de Higgs donne de la masse à toutes les particules fondamentales de l'univers.

Les scientifiques ont fait leur découverte à l'aide des détecteurs ATLAS et CMS, deux expériences majeures conçues pour analyser les collisions de particules de haute énergie générées par le Grand collisionneur de hadrons (LHC) du CERN, la plus grande, l'accélérateur de particules le plus puissant au monde.

bosons de Higgs, qui ont été découverts pour la première fois en 2012, sont d'une rareté incroyable, et sont produites dans seulement une collision LHC sur un milliard. Une fois brisé dans l'existence, les particules disparaissent presque immédiatement, se désintégrer en un flux de particules secondaires. Le modèle standard de la physique, qui est la théorie la plus largement acceptée pour décrire les interactions de la plupart des particules dans l'univers, prédit que près de 60 % des bosons de Higgs devraient se désintégrer en quarks bottom, particules élémentaires environ quatre fois plus massives qu'un proton.

Les équipes d'ATLAS et de CMS ont passé plusieurs années à affiner les techniques et à incorporer davantage de données dans leur recherche de cette désintégration du boson de Higgs la plus courante. Les deux expériences ont finalement confirmé que, pour la première fois, ils ont vu des preuves d'un boson de Higgs se désintégrant en un quark bottom, avec un degré de confiance statistiquement élevé.

Les physiciens du MIT du Laboratoire des sciences nucléaires ont été impliqués dans l'analyse et l'interprétation des données de cette nouvelle découverte, dont Philip Harris, professeur adjoint de physique. MIT News s'est entretenu avec Harris, qui est également membre de l'expérience CMS, sur la recherche époustouflante d'une transformation en voie de disparition, et comment la nouvelle découverte de Higgs peut aider les physiciens à comprendre pourquoi l'univers a une masse.

Q :Mettez cette découverte en contexte pour nous un peu. Dans quelle mesure votre équipe a-t-elle observé la désintégration du boson de Higgs en quarks bottom ?

R :Le boson de Higgs a deux mécanismes distincts :Il donne de la masse aux particules de force impliquées dans les interactions électrofaibles, la force responsable de la désintégration bêta nucléaire; et il donne de la masse aux particules fondamentales à l'intérieur de l'atome, les quarks et les leptons (comme les électrons et les muons). Bien qu'il soit responsable des deux mécanismes, la découverte de Higgs et les mesures ultérieures des propriétés de Higgs ont été en grande partie réalisées avec les particules de force électrofaible. Ce n'est que récemment que nous avons observé directement les interactions de Higgs avec la matière. Cette mesure, le boson de Higgs se désintégrant en un quark bottom, C'est la première fois que nous observons directement des interactions Higgs-quark. Cela confirme que les quarks obtiennent effectivement une masse du mécanisme de Higgs.

Q :À quel point cette détection a-t-elle été difficile à faire ? et comment a-t-il été finalement observé?

R :Environ 60 % de toutes les désintégrations de Higgs sont des quarks inférieurs. C'est le plus grand canal de désintégration du boson de Higgs. Cependant, c'est aussi le canal qui a le plus grand bruit de fond [bruit des particules environnantes]. Selon la façon dont vous le comptez, il est environ un million de fois plus grand que les canaux que nous avons utilisés pour découvrir le boson de Higgs.

Les gens aiment comparer les mesures de Higgs avec la recherche d'une aiguille dans une botte de foin. Ici, Je pense qu'une analogie plus appropriée est un stéréogramme de l'œil magique. Vous recherchez une large distorsion dans les données qui est très difficile à voir. L'astuce pour essayer de voir cette distorsion est comme un œil magique :vous devez trouver comment faire la bonne mise au point.

Pour calibrer notre "focus, " nous avons regardé la particule de force électrofaible, le boson Z, et sa désintégration en quarks bottom. Une fois que nous avons pu voir le boson Z entrer dans les quarks bottom, nous avons fixé notre objectif sur le boson de Higgs, et c'était là. Je dois souligner que pour voir clairement cette distorsion, nous avons dû nous fier à une technologie qui en était à ses balbutiements au moment de la découverte du boson de Higgs, y compris certaines des avancées les plus récentes en apprentissage automatique. En réalité, il y a quelques années à peine, on vous a enseigné dans votre cours standard de physique des particules qu'il était impossible d'observer les désintégrations de Higgs dans certains de ces canaux.

Q :La découverte originale du boson de Higgs a été présentée comme une découverte historique qui révélera finalement le mystère de la masse des atomes. Comment cette nouvelle découverte de la désintégration du Higgs va-t-elle aider à résoudre ce mystère ?

R :Suite à la découverte du boson de Higgs, nous avons beaucoup appris sur la façon dont le mécanisme de Higgs donne une masse à différentes particules. Cependant, beaucoup diraient qu'après la découverte du boson de Higgs, la physique des hautes énergies est devenue encore plus intéressante car il commence à sembler que notre vision conventionnelle de la physique des particules ne convient pas parfaitement.

L'un des meilleurs moyens de tester notre point de vue est de mesurer les propriétés du boson de Higgs. La désintégration du Higgs au quark inférieur est essentielle à cette compréhension car elle nous permet de sonder directement les propriétés des interactions entre le Higgs et la matière et en raison de son taux de désintégration élevé, ce qui signifie que nous pouvons mesurer le boson de Higgs dans toutes sortes de scénarios qui ne sont pas possibles avec d'autres modes de désintégration.

Cette observation nous donne un nouvel outil puissant pour sonder le boson de Higgs. En réalité, dans le cadre de cette mesure, nous avons pu mesurer les bosons de Higgs avec des énergies plus de deux fois l'énergie des bosons de Higgs les plus élevés précédemment observés.

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.