Le boson de Higgs est devenu célèbre du jour au lendemain en 2012 lorsqu'il a finalement été découvert dans un fouillis d'autres particules générées au Grand collisionneur de hadrons (LHC) du CERN à Genève, La Suisse. La découverte était monumentale car le boson de Higgs, qui n'avait été théorisé que précédemment, a la propriété particulière de conférer une masse à d'autres particules élémentaires. Il est également extrêmement rare et difficile à identifier dans les débris de particules en collision.

Les physiciens de Caltech ont joué un rôle majeur dans la découverte du boson de Higgs, un résultat qui a valu au physicien théoricien Peter Higgs une part du prix Nobel de physique 2013, et maintenant, ils continuent à faire des découvertes importantes sur les processus rares du boson de Higgs.

Cet été, pour la première fois, les physiciens des particules utilisant les données recueillies par l'expérience dite Compact Muon Solenoid (CMS) au LHC, ont trouvé des preuves que le boson de Higgs se désintègre en une paire de particules élémentaires appelées muons. Le muon est une version plus lourde de l'électron, et les muons et les électrons appartiennent à une classe de particules connues sous le nom de fermions, comme décrit dans le modèle de particules largement accepté appelé le modèle standard. Le modèle standard classe toutes les particules en fermions ou en bosons. Généralement, les fermions sont les éléments constitutifs de toute matière, et les bosons sont les porteurs de force.

Un muon est aussi ce qu'on appelle une particule de deuxième génération. Les particules de fermions de première génération telles que les électrons sont les particules les plus légères; les particules de deuxième et troisième génération peuvent se désintégrer pour devenir des particules de première génération. Cette nouvelle découverte représente la première preuve que le boson de Higgs interagit avec les fermions de deuxième génération.

En outre, ce résultat fournit une preuve supplémentaire que le taux de décroissance des paires Higgs-fermions est proportionnel au carré de la masse du fermion. C'est une prédiction clé de la théorie de Higgs. Avec plus de données, les expériences LHC devraient confirmer que le Higgs donne bien leur masse aux particules fondamentales.

"L'importance de cette mesure est que nous sondons des processus rares impliquant le boson de Higgs, et nous sommes dans le régime d'investigation de la physique de Higgs de précision où tout écart par rapport aux prédictions du modèle standard peut nous orienter vers une nouvelle physique, " dit Maria Spiropulu, le professeur de physique Shang-Yi Ch'en à Caltech.

Des scientifiques analysant les données d'un autre instrument du LHC, connu sous le nom d'ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS), ont également trouvé des preuves corroborantes de la désintégration du boson de Higgs en muons. Les résultats des deux expériences ont été présentés lors de la 40e Conférence internationale sur la physique des hautes énergies en août 2020.

"Nous avons besoin de plus de données et de méthodes d'analyse intelligentes pour confirmer nos résultats, mais c'est la première fois que nous voyons des preuves que le boson de Higgs se désintègre en deux muons, " dit Irene Dutta (MS '20), membre de l'équipe Caltech CMS et étudiant diplômé du laboratoire de Spiropulu. "Ce résultat valide expérimentalement que les prédictions du modèle standard de la physique des particules sont exactes. Même un petit écart par rapport à notre modèle nous dirait qu'il se passe autre chose, mais jusqu'à présent, le modèle standard reste ferme, " dit Dutta.

La découverte aidera finalement les scientifiques à mieux comprendre comment le boson de Higgs confère de la masse aux fermions. Le boson de Higgs peut être considéré comme le tremblement ou l'excitation du champ de Higgs. Le champ de Higgs agit comme un sirop épais et à mesure que les particules le traversent, ils acquièrent de la masse; plus les particules se déplacent lentement dans le champ, plus ils sont lourds (voir la vidéo pour une illustration métaphorique du concept).

"Nous voulons comprendre l'origine de la masse dans notre univers, " déclare Nan Lu, membre de l'équipe CMS de Caltech, un chercheur postdoctoral dans le laboratoire de Spiropulu. "Le boson de Higgs est un outil expérimental pour comprendre ce mécanisme, et pourrait être une poignée pour découvrir une nouvelle physique. On ne peut pas observer systématiquement le boson de Higgs ou d'autres particules élémentaires, sauf dans leur manifestation dans les collisions de particules de haute énergie, mais ils sont les éléments de base de notre univers, " dit Lou.

L'équipe de Caltech a contribué à cette nouvelle découverte en recherchant les bosons de Higgs produits par un mécanisme particulier dans lequel deux particules appelées quarks sont également générées en même temps (les quarks sont un autre type de fermion). Ce processus est particulièrement intéressant car les deux quarks offrent des signatures distinctes pour aider à identifier les bosons de Higgs. Lu a développé la méthode pour sonder la sensibilité de la recherche CMS pour différentes masses du boson de Higgs, améliorant ainsi la fiabilité des résultats. Dutta a travaillé sur la démonstration de la puissance d'un outil méthodologique avancé d'intelligence artificielle (IA), connu sous le nom de réseau de neurones profonds, pour analyser les données du LHC.

Dutta et Lu ont tous deux aidé à dériver les résultats de sensibilité finaux. L'ancien chercheur postdoctoral Caltech Joosep Pata, qui est maintenant membre du corps professoral de l'Institut national de physique chimique et de biophysique en Estonie, développé de nouvelles méthodes pour accélérer l'analyse informatique complexe utilisée dans le projet.

« Sonder les propriétés du boson de Higgs revient à rechercher une nouvelle physique dont nous savons qu'elle doit exister », a déclaré Spiropulu. "Je suis particulièrement fier du travail de Nan, Irène, Joosep, et l'ensemble du groupe Caltech CMS, dont le talent, la diversité, et les résultats brillent dans le paysage d'une grande collaboration internationale."