Les collaborations ATLAS et CMS du CERN ont maintenant l’évidence que la nouvelle particule découverte en juillet 2012 se comporte de plus en plus comme le boson de Higgs. Les deux expériences viennent en fait de démontrer que le boson de Higgs se désintègre aussi en particules tau, des particules semblables aux électrons mais beaucoup plus lourdes.
Pourquoi est-ce si important? CMS et l’ATLAS avaient déjà établi que ce nouveau boson était bien un type de boson de Higgs. Si tel est le cas, la théorie prévoit qu’il doit se désintégrer en plusieurs types de particules. Jusqu’ici, seules les désintégrations en bosons W et Z de même qu’en photons étaient confirmées. Pour la première fois, les deux expériences ont maintenant la preuve qu’il se désintègre aussi en particules tau.
La désintégration d’une particule s’apparente beaucoup à faire de la monnaie pour une pièce. Si le boson de Higgs était une pièce d’un euro, il pourrait se briser en différentes pièces de monnaie plus petites. Jusqu’à présent, le distributeur de monnaie semblait seulement donner la monnaie en quelques façons particulières. On a maintenant démontré qu‘il existe une façon supplémentaire.
Il y a deux classes de particules fondamentales, appelées fermions et bosons selon la valeur de quantité de mouvement angulaire. Les particules de matière comme les taus, les électrons et les quarks appartiennent tous à la famille des fermions. Par contre, les particules associées aux diverses forces qui agissent sur ces fermions sont des bosons, comme les photons et les bosons W et Z.
L”été dernier, l’expérience CMS avait déjà apporté la preuve avec un signal de 3.4 sigma que le boson de Higgs se désintégrait en fermions en combinant leurs résultats pour deux types de fermions, les taus et les quarks b. Un sigma correspond à un écart-type, la taille des fluctuations statistiques potentielles. Trois sigma sont nécessaires pour revendiquer une évidence tandis que cinq sigma sont nécessaires pour clamer une découverte.
Pour la première fois, il y a maintenant évidence pour un nouveau canal de désintégration (les taus) – et deux expériences l’ont produit indépendamment. La collaboration ATLAS a montré la preuve pour le canal des taus avec un signal de 4.1 sigma, tandis que CMS a obtenu 3.4 sigma, deux résultats forts prouvant que ce type de désintégrations se produit effectivement.
En combinant leurs résultats les plus récents pour les taus et les quarks b, CMS a maintenant une évidence pour des désintégrations en fermions avec 4.0 sigma.
Les données rassemblées par l’expérience ATLAS (les points noirs) sont en accord avec la somme de tous les évènements venant du bruit de fond (histogrammes en couleur) en plus des contributions venant d’un boson de Higgs se désintégrant en une paire de taus (la ligne rouge). En dessous, le bruit de fond est soustrait des données pour révéler la masse la plus probable du boson de Higgs, à savoir 125 GeV (la courbe rouge).
CMS commence aussi à voir des désintégrations en paires de quarks b avec un signal de 2.0 sigma. Bien que ceci ne soit toujours pas très significatif, c’est la première indication pour cette désintégration jusqu’ici au Grand collisionneur de hadrons (LHC). Les expériences du Tevatron avaient rapporté l’observation de telles désintégrations à 2.8 sigma. Bien que le boson de Higgs se désintègre en quarks b environ 60 % du temps, il y a tant de bruit de fond qu’il est extrêmement difficile de mesurer ces désintégrations au LHC.
Non seulement les expériences ont la preuve que le boson de Higgs se désintègre en paires de taus, mais elles mesurent aussi combien de fois ceci arrive. Le Modèle Standard, la théorie qui décrit à peu près tout ce qui a été observé jusqu’à maintenant en physique des particules, stipule qu’un boson de Higgs devrait se désintégrer en une paire de taus environ 8 % du temps. CMS a mesuré une valeur correspondant à 0.87 ± 0.29 fois ce taux, c’est-à-dire une valeur compatible avec 1.0 comme prévu pour le boson de Higgs du Modèle Standard. ATLAS obtient 1.4 +0.5-0.4, ce qui est aussi consistent avec la valeur de 1.0 à l‘intérieur des marges d’erreur.
Un des événements captés par la collaboration CMS ayant les caractéristiques attendues pour les désintégrations du boson de Higgs du Modèle Standard en une paire de taus. Un des taus se désintègre en un muon (ligne rouge) et en neutrinos (non visibles dans le détecteur), tandis que l’autre tau se désintègre en hadrons (particules composées de quarks) (tours bleues) et un neutrino. Il y a aussi deux jets de particules vers l’avant (tours vertes).
Avec ces nouveaux résultats, les expériences ont établi une propriété de plus prédite pour le boson de Higgs du Modèle Standard. Reste encore à clarifier le type exact de boson de Higgs que nous avons. Est-ce bien le plus simple des bosons, celui associé au Modèle Standard? Ou avons nous découvert un autre type de boson de Higgs, le plus léger des cinq bosons de Higgs prévus par une autre théorie appelée la supersymétrie.
Il est encore trop tôt pour écarter cette deuxième hypothèse. Tandis que le boson de Higgs se comporte jusqu’ici exactement comme ce à quoi on s’attend pour le boson de Higgs du Modèle Standard, les mesures manquent encore de précision pour exclure qu’il soit de type supersymétrique. Une réponse définitive exige plus de données. Ceci arrivera une fois que le LHC reprendra du service à presque deux fois l’énergie actuelle en 2015 après l’arrêt actuel pour maintenance et consolidation.
En attendant, ces nouveaux résultats seront affinés et finalisés. Déjà ils représentent un petit pas pour les expériences et un bond de géant pour le boson de Higgs.
Pour tous les détails (en anglais seulement)
Présentation donnée par la collaboration ATLAS le 28 novembre 2013
Présentation donnée par la collaboration CMS le 3 décembre 2013
Pauline Gagnon
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