Les physiciens des particules ont détecté pour la première fois une nouvelle désintégration du boson de Higgs, révélant un léger écart dans les prédictions du modèle standard et pointant peut-être vers une nouvelle physique au-delà de celui-ci. Les résultats sont publiés dans la revue Physical Review Letters. .
Le boson de Higgs, prédit théoriquement depuis les années 1960, a finalement été détecté en 2012 au laboratoire du CERN en Europe. En tant que champ quantique, il imprègne tout l'espace, à travers lequel d'autres particules se déplacent, acquérant une masse via leur interaction avec le champ de Higgs qui peut être grossièrement envisagé comme une sorte de résistance à leur mouvement.
De nombreuses propriétés du boson de Higgs, y compris la manière dont il interagit avec d'autres particules et leurs champs associés, ont déjà été mesurées pour être cohérentes avec les prédictions du modèle standard.
Mais un mode de désintégration du Higgs qui restait encore à étudier était une prédiction théorique selon laquelle un boson de Higgs se désintégrerait occasionnellement et produirait un photon, le quantum de lumière, et un boson Z, qui est une particule non chargée qui, avec les deux bosons W, transmet la force faible.
Les scientifiques des collaborations ATLAS et CMS du CERN ont utilisé les données des collisions proton-proton recueillies lors de l'exécution 2 de 2015 à 2018 pour rechercher cette désintégration particulière du Higgs du photon Z+. Le Grand collisionneur de hadrons (LHC) du CERN est un accélérateur de particules à haute énergie près de Genève, en Suisse, qui fait circuler des protons dans des directions opposées tout en les faisant entrer en collision à des points de détection spécifiques, des millions de fois par seconde.
Pour cette opération, l'énergie de la collision des deux protons était de 13 000 milliards d'électrons-volts, juste en dessous du maximum actuel de la machine, qui, en unités plus comparables, est de 2,1 microjoules. Cela représente à peu près l'énergie cinétique d'un moustique moyen, ou d'un grain de sel, parcourant un mètre par seconde.
La théorie prédit qu'environ 15 fois toutes les 10 000 désintégrations, le boson de Higgs devrait se désintégrer en un boson Z et un photon, la désintégration la plus rare du modèle standard. Pour ce faire, il produit d'abord une paire de quarks top, ou une paire de bosons W, qui eux-mêmes se désintègrent ensuite en Z et en photon.
La collaboration Atlas/CMS, fruit du travail de plus de 9 000 scientifiques, a découvert un « taux de branchement », ou fraction de désintégrations, de 34 fois pour 10 000 désintégrations, plus ou moins 11 pour 10 000, soit 2,2 fois la valeur théorique.
La fraction mesurée est trop grande :3,4 écarts types au-dessus de la valeur théorique, un nombre encore trop petit pour exclure un hasard statistique. Néanmoins, la différence relativement importante laisse entrevoir la possibilité d'un écart significatif par rapport à la théorie qui pourrait être dû à la physique au-delà du modèle standard :de nouvelles particules qui sont des intermédiaires autres que le quark top et les bosons W.
Une possibilité pour la physique au-delà du modèle standard est la supersymétrie, la théorie qui postule une symétrie (une relation) entre les particules d'un demi-spin, appelées fermions, et un spin entier, appelés bosons, chaque particule connue ayant un partenaire avec un spin différent. par un demi-entier.
De nombreux physiciens théoriciens sont depuis longtemps partisans de la supersymétrie, car elle résoudrait de nombreuses énigmes qui affligent le modèle standard, comme la grande différence (10 24 ) entre les forces de la force faible et la gravité, ou pourquoi la masse du boson de Higgs, environ 125 gigaélectronvolts (GeV), est bien inférieure à la grande échelle d'énergie d'unification d'environ 10 16 GeV.
Dans l'expérience, le boson Z massif se désintègre en environ 3 × 10 -25 secondes, bien avant qu'il n'atteigne un détecteur. Ainsi, les expérimentateurs ont compensé en examinant l'énergie des deux électrons ou des deux muons que la désintégration du Z produirait, exigeant que leur masse combinée soit supérieure à 50 GeV, soit une fraction significative de la masse du Z de 91 GeV.
"Ce très beau résultat obtenu avec la collaboration CMS. Il s'agit, selon la prédiction du modèle standard, de l'état final du boson de Higgs le plus rare, pour lequel nous avons vu les premières preuves", a déclaré Andreas Hoecker, porte-parole de la collaboration ATLAS.
"La désintégration se produit via des boucles quantiques et est donc sensible à la nouvelle physique de la même manière, mais pas tout à fait de la même manière, que la désintégration à deux photons, qui a contribué à la découverte du boson de Higgs par ATLAS et CMS en 2012."
"Ce résultat est impressionnant pour plusieurs raisons", a ajouté Monica Dunford de la collaboration ATLAS Physics. "Nous sommes capables de mesurer expérimentalement avec une telle précision ces processus très rares. Ils constituent un test puissant du modèle standard et des théories possibles au-delà."
Dunford ajoute que les groupes ont acquis de nouvelles données lors de l'exploitation 3 au CERN, qui a débuté en juillet 2022, avec 13,6 TeV d'énergie totale. Encore plus de données proviendront du grand collisionneur de hadrons à haute luminosité, qui produira environ cinq fois plus de collisions proton-proton par seconde. Le HL-LHC devrait être mis en service en 2028.
"Ces résultats sont un aperçu de ce que nous continuerons à réaliser", a déclaré Dunford.
Plus d'informations : G. Aad et al, Preuves de la désintégration du boson de Higgs en un boson Z et un photon au LHC, Physical Review Letters (2024). DOI : 10.1103/PhysRevLett.132.021803
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