La dernière particule manquante du Modèle Standard, le boson de Higgs, a été découvert en 2012 lors d'expériences au Grand collisionneur de hadrons. Depuis, à la recherche de nouveauté, particules apparentées est en cours. Prédit par diverses théories qui vont au-delà de la physique connue, Les bosons de Higgs à charge électrique positive ou négative font partie des candidats à observer. Mais ces particules existent-elles vraiment ?

A l'Organisation européenne pour la recherche nucléaire CERN près de Genève, la deuxième série de collisions du Grand collisionneur de hadrons et la collecte de données sur les particules et leurs désintégrations viennent de se terminer. Au cours des deux prochaines années, l'accélérateur fera l'objet d'une maintenance et les mises à niveau seront achevées. Pendant ce temps, les physiciens analysent intensivement les données de l'analyse qui vient de s'achever. Leur enquête se concentre principalement sur la recherche de particules élémentaires au-delà du modèle standard, comme le boson de Higgs chargé électriquement. L'analyse la plus récente dans ce domaine a été réalisée par une équipe internationale de physiciens travaillant au sein de l'expérience ATLAS. Le groupe était composé de chercheurs de l'Institut de physique nucléaire de l'Académie polonaise des sciences (IFJ PAN) à Cracovie et de cinq autres institutions dispersées dans le monde.

"Le modèle standard est une structure théorique complexe et décrit toutes les particules élémentaires connues avec une excellente précision. Nous savons, cependant, que cela fonctionne bien pour les énergies accessibles expérimentalement. A de très hautes énergies, les prédictions du modèle standard s'effondrent ; d'où le besoin d'une physique dite nouvelle, " dit le Dr Pawel Bruckman (FIJ PAN), et rappelle que la mécanique classique, par exemple, présente des caractéristiques similaires. Lorsque l'énergie des corps en mouvement est faible, sa description est exacte. Cependant, quand la vitesse devient comparable à la vitesse de la lumière, La physique newtonienne doit céder la place aux théories relativistes.

Découvert en 2012 par les expériences ATLAS et CMS, le boson de Higgs neutre a confirmé l'existence du mécanisme nécessaire à la cohérence du modèle standard. Physiciens, cependant, sont conscients que cette particule peut n'être qu'une partie d'un secteur de Higgs plus large, prédit par la plupart des théories qui vont au-delà de la physique des particules moderne. Dans les théories supersymétriques les plus populaires (où chaque particule connue a un effet exotique, super-partenaire plus massif), il y a cinq bosons de Higgs. Trois d'entre eux, y compris la norme, sont électriquement neutres, tandis que les deux autres sont chargés électriquement (négativement et positivement).

"Nous avons exploré une très large gamme de masses. La masse du proton, c'est-à-dire le noyau d'hydrogène, est d'environ un gigaélectronvolt. À son tour, la masse du quark t, la plus massive des particules élémentaires connues, est de 173 gigaélectronvolts. Nous recherchions des traces de l'existence d'un Higgs chargé dans la gamme de masse allant de 90 gigaélectronvolts jusqu'à 2000 gigaélectronvolts, " explique Marzieh Bahmani, doctorante (IFJ PAN).

L'équipe s'est concentrée sur ces événements de collision entre les quarks et les gluons, dans lequel les bosons de Higgs chargés seraient produits avec le quark t, puis s'est désintégré en un lepton tau (un équivalent beaucoup plus massif de l'électron) et son neutrino associé. Dans de tels événements, quelques neutrinos sont émis. Ces particules interagissent faiblement avec la matière et sont invisibles pour les détecteurs. Par conséquent, lors de la sélection des désintégrations, la quantité d'énergie manquante que les neutrinos emporteraient était importante.

Aux fins de l'analyse, Les chercheurs de Cracovie ont développé et optimisé une méthode discriminante multivariée. La technique, sur la base de nombreuses variables soigneusement sélectionnées et de corrélations entre elles, maximise la discrimination du signal attendu de l'arrière-plan écrasant.

"Dans la sensibilité actuelle, nous pouvons dire au niveau de confiance de 95 % que dans la gamme de masses sélectionnée, nous n'avons pas observé de bosons de Higgs chargés. C'est une limitation très forte sur les nouvelles théories. Nous avons l'intention de l'améliorer encore lors du prochain cycle d'analyse, en prenant en compte toutes les données de la deuxième période d'exploitation de l'accélérateur LHC qui vient de s'achever. Il est encore possible que le Higgs chargé soit caché quelque part dans la gamme de masse couverte par notre analyse, mais nous ne sommes pas encore assez sensibles pour voir son signal, " dit le Dr Anna Kaczmarska (FIJ PAN).

Les résultats de l'analyse, publié dans le Journal de physique des hautes énergies , sont particulièrement utiles pour sélectionner des modèles théoriques qui vont au-delà de la physique connue. L'espace des paramètres de ces modèles a été considérablement réduit. En conséquence, leurs prédictions seront plus précises et plus faciles à vérifier.