Il y a dix ans cette semaine, deux collaborations internationales de groupes de scientifiques, dont un important contingent de Caltech, ont confirmé avoir trouvé des preuves concluantes du boson de Higgs, une particule élémentaire insaisissable, prédite pour la première fois dans une série d'articles publiés au milieu du XXe siècle. années 1960, qui est censée doter les particules élémentaires de masse.

Cinquante ans auparavant, alors que les physiciens théoriciens s'efforçaient de comprendre la soi-disant théorie électrofaible, qui décrit à la fois l'électromagnétisme et la force nucléaire faible (impliquée dans la désintégration radioactive), il est devenu évident pour Peter Higgs, travaillant au Royaume-Uni, et indépendamment pour François Englert et Robert Brout, en Belgique, ainsi que le physicien américain Gerald Guralnik et d'autres, qu'un champ auparavant non identifié qui remplissait l'univers était nécessaire pour expliquer le comportement des particules élémentaires qui composent la matière. Ce champ, le champ de Higgs, conduirait à une particule de spin nul, de masse importante, et aurait la capacité de briser spontanément la symétrie de l'univers le plus ancien, permettant à l'univers de se matérialiser. Cette particule est devenue connue sous le nom de boson de Higgs.

Au cours des décennies qui ont suivi, les physiciens expérimentateurs ont d'abord conçu puis développé les instruments et les méthodes nécessaires pour détecter le boson de Higgs. Le plus ambitieux de ces projets était le Grand collisionneur de hadrons (LHC), qui est exploité par l'Organisation européenne pour la recherche nucléaire, ou CERN. Depuis la planification du LHC à la fin des années 1980, le Département américain de l'énergie et la National Science Foundation ont travaillé en collaboration avec le CERN pour fournir un financement et un savoir-faire technologique, et pour soutenir des milliers de scientifiques qui participent à la recherche du Higgs.

Le LHC est un anneau souterrain de 27 kilomètres de long à travers lequel les protons sont accélérés par des aimants supraconducteurs jusqu'à un peu moins de la vitesse de la lumière. Deux faisceaux de protons se déplaçant dans des directions opposées sont focalisés et dirigés pour entrer en collision l'un avec l'autre à des points spécifiques où les détecteurs peuvent observer les particules produites par ces collisions. L'utilisation d'installations de détection majeures de différentes conceptions, principalement le solénoïde compact à muons (CMS) et l'appareil A toroïdal du LHC (ATLAS), permet aux scientifiques de mener une grande variété d'expériences pour tester les prédictions du modèle standard dont le boson de Higgs est une partie, pour rechercher de nouvelles particules et interactions qui se trouvent au-delà du modèle standard, et pour vérifier les résultats de l'autre. La détection du boson de Higgs, annoncée le 4 juillet 2012, était basée sur l'analyse d'une quantité sans précédent de données collectées par CMS et ATLAS.

Harvey Newman, professeur de physique Marvin L. Goldberger à Caltech et l'un des dirigeants de l'équipe Caltech, qui fait partie de la collaboration CMS, qualifie la découverte du boson de Higgs de « jalon dans l'histoire humaine » qui « a changé de façon permanente ». la façon dont nous voyons l'univers."

Appelé avec humour la "particule de Dieu" en 1993 dans un livre du même nom des auteurs Leon Lederman et Dick Teresi, le boson de Higgs joue un rôle crucial dans le modèle standard de la physique :il fournit le mécanisme par lequel les particules élémentaires acquièrent de la masse. Alors que les particules traversent le champ de Higgs et interagissent avec les bosons de Higgs, certaines glissent sur la surface, sans changer du tout. Mais d'autres sont pris dans les mauvaises herbes, pour ainsi dire, et gagnent en masse.

Le modèle standard n'a pas encore expliqué de manière adéquate la matière noire ou la gravitation, mais à maintes reprises, ses prédictions ont été confirmées expérimentalement. "C'est un résultat frappant et surprenant qu'à travers l'analyse de quantités croissantes de données, avec des méthodes de plus en plus sensibles, l'accord avec le modèle standard n'ait cessé de s'améliorer dans tous ses détails, alors même que les premiers signes de ce qui se trouve au-delà, dans en termes de nouvelles particules et de nouvelles interactions, continue de nous échapper », déclare Newman.

Tout écart par rapport aux résultats prédits par le modèle standard suggère la présence d'autres particules ou dynamiques qui pourraient un jour fournir les bases d'un nouveau modèle de physique plus global.

Les collisions qui produisent des bosons de Higgs sont très rares. Pour chaque milliard de collisions proton-proton, un seul boson de Higgs est créé. Pour compliquer davantage cette image, les bosons de Higgs se désintègrent très rapidement en d'autres particules, et ce n'est qu'en mesurant les caractéristiques de ces particules que l'existence antérieure du boson de Higgs peut être déduite. Maria Spiropulu de Caltech, professeur de physique Shang-Yi Ch'en et autre chef de l'équipe originale de chercheurs de Caltech qui a aidé à détecter le Higgs, le décrit comme "l'aiguille proverbiale dans le problème de la botte de foin".

Les améliorations technologiques apportées au LHC et à ses détecteurs ont permis d'augmenter l'énergie et la précision des collisionneurs et de leurs détecteurs. Depuis la découverte du boson de Higgs en 2012, les expériences au LHC ont révélé de nouvelles informations sur le boson de Higgs et ses processus de masse et de désintégration. Par exemple, en 2018, Newman, Spiropulu et d'autres chercheurs de Caltech ont travaillé avec une équipe internationale qui a produit des preuves montrant que le boson de Higgs se désintégrait en paires de particules fondamentales appelées quarks inférieurs, un travail que Spiropulu décrivait à l'époque comme un "travail herculéen". Avant cette découverte, l'équipe CMS a fait la première observation du boson de Higgs se couplant directement à la particule modèle standard la plus lourde, le quark top.

En 2020, Spiropulu et ses collègues ont documenté un processus de désintégration rare du boson de Higgs qui aboutit à deux muons. " Sonder les propriétés du boson de Higgs revient à rechercher une nouvelle physique dont nous savons qu'elle doit exister ", a déclaré Spiropulu.

"Je venais juste d'obtenir mon diplôme d'études secondaires lorsque j'ai entendu parler de la découverte du Higgs au LHC", explique Irene Dutta (MS '20), étudiante diplômée de Caltech et membre de l'équipe CMS, qui a travaillé sur la recherche sur les muons. "Il est humiliant de savoir à quel point le modèle standard peut décrire les particules élémentaires et leurs interactions avec une telle précision."

Plus récemment, une équipe de chercheurs dirigée par Caltech travaillant sur l'expérience CMS a utilisé des algorithmes d'apprentissage automatique basés sur des réseaux de neurones pour développer une nouvelle méthode pour chasser ce qui pourrait être une proie encore plus insaisissable que le Higgs lui-même :une extrêmement rare " paire" de bosons de Higgs en interaction qui, selon la théorie, pourraient être produits lors de collisions de protons.

Après un arrêt de trois ans pour poursuivre la mise à niveau de l'accélérateur LHC et des expériences, le LHC a commencé les derniers préparatifs pour une troisième exploitation (Run 3) au début de 2022. Le lancement de la Run 3, qui devrait se poursuivre jusqu'à la fin de 2025, aura lieu le 5 juillet, produisant les premières collisions à la nouvelle énergie de 13,6 téra-électron-volts.

"La découverte de Higgs est une étape importante sur un long chemin à parcourir", déclare Barry Barish, Ronald et Maxine Linde, professeur de physique émérite de Caltech, ancien chef du groupe de physique des hautes énergies de Caltech (et co-lauréat du prix Nobel de physique en 2017 pour son travail sur un autre projet de physique à grande échelle, le Laser Interferometer Gravitational-wave Observatory, ou LIGO, qui a réalisé la première détection des ondulations dans l'espace et le temps appelées ondes gravitationnelles en 2016). "La physique des particules progresse en gardant à l'esprit que le modèle standard ne décrit qu'une infime fraction de ce que nous savons et qu'il reste plus de questions sans réponse que de réponses ; oui, nous avons une grande paramétrisation simple dans le modèle standard, mais l'origine réelle de la brisure de la symétrie électrofaible est inconnue. Nous avons encore beaucoup de travail à faire », déclare Barish.

Réfléchissant sur une décennie d'exploration du boson de Higgs, Newman note que la recherche "continue de nous motiver à réfléchir plus fort et à concevoir des détecteurs améliorés et des améliorations d'accélérateurs nous permettant d'étendre considérablement notre portée maintenant et pour les deux prochaines décennies". Cela comprend la deuxième grande phase du programme LHC, connue sous le nom de LHC à haute luminosité, prévue pour s'étendre de 2029 à 2040. Elle fournira des mises à niveau substantielles du complexe d'accélérateurs et des détecteurs qui conduiront à une augmentation prévue des données collectées par un facteur de 20 par rapport à ce que CMS et ATLAS ont aujourd'hui.

L'équipe de Caltech comprend également Si Xie, professeur adjoint de recherche en physique, ainsi que les chercheurs scientifiques Adi Bornheim et Ren-Yuan Zhu, qui ont tous consacré des décennies d'études pour découvrir et comprendre le boson de Higgs. Le groupe Caltech dirige de nouvelles mises à niveau de détecteurs ultraprécis pour le LHC à haute luminosité et développe de nouvelles approches d'analyse de données basées sur l'IA qui permettront une découverte accélérée en temps quasi réel. Le groupe a produit plus d'une douzaine de doctorats. thèses et a permis à environ 100 étudiants de premier cycle et stagiaires de s'engager dans des recherches en analyse, instrumentation et calcul depuis la découverte du Higgs. + Explorer plus loin

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