10 ans après sa découverte, que savons-nous du boson de Higgs ?
Cela fait maintenant dix ans que les scientifiques ont annoncé la découverte du boson de Higgs dans le Grand collisionneur de hadrons (LHC) du CERN, à la frontière franco-suisse, près de Genève. Au cours de cette décennie, qu’avons-nous appris sur la « particule de Dieu » ?
Image d’entête : une partie du détecteur ATLAS du Grand collisionneur de hadrons. (Maximilien Brice, Julien Marius Ordan/ CERN)
Les plus récentes propriétés de cette particule élémentaire sont présentées dans deux études (liens plus bas), produites par les expériences ATLAS et CMS.
Il y a 10 ans (hier), des scientifiques du monde entier se sont réunis pour annoncer la détection du boson de Higgs théorisé par les collaborations ATLAS et CMS au LHC.
L’annonce du 4 juillet 2012 est intervenue près de 50 ans après que la particule fut théorisée pour la première fois.
Une collision proton-proton dans l’expérience du CMS produisant deux photons de haute énergie (les tours rouges). Le résultat de la désintégration d’un boson de Higgs , en accord avec les processus de physique du modèle standard. (CERN)
La découverte du boson de Higgs a non seulement confirmé l’existence de la particule, mais aussi celle du champ de Higgs qui imprègne tout l’espace.
La force de l’interaction de toute particule avec ce champ influence directement la masse de cette particule, par extension, écrivent les auteurs de l’étude de la CMS, le champ de Higgs « détermine en fin de compte la taille des atomes, rend le proton stable et fixe l’échelle de temps des désintégrations radioactives (β), qui ont par exemple un impact sur la durée de vie des étoiles ».
Comment savons-nous que le champ de Higgs existe ?
Selon les chercheurs de l’expérience CMS :
Dans la vie quotidienne, nous ne remarquons pas que le champ de Higgs est tout autour de nous. Le seul moyen que nous ayons de révéler le champ de Higgs est de le perturber, un peu comme on jette une pierre dans l’eau et on voit les ondulations. La particule connue sous le nom de boson de Higgs est la manifestation d’une telle perturbation.
La mesure au LHC d’une particule correspondant aux propriétés théoriques du boson de Higgs fut une importante confirmation du modèle standard de la physique des particules, qui constitue la base de notre interprétation de la manière dont les particules élémentaires composent la matière et les forces qui nous entourent.
Depuis la première observation, des bosons de Higgs ont été détectés plus de 30 fois au LHC. Dix ans plus tard, comment se porte le boson de Higgs ? Répond-il aux attentes ? L’enthousiasme initial était-il justifié ?
Les collaborations/ expériences ATLAS et CMS présentent une analyse des résultats du LHC au cours des dix dernières années, y compris le « Run 2 » d’ATLAS qui s’est déroulé entre 2015 et 2018. La question clé examinée est de savoir comment le boson de Higgs interagit avec les autres particules élémentaires.
De haut en bas, des photos des détecteurs ATLAS et CMS. (CERN)
Les chercheurs d’ATLAS notent que les erreurs associées à la fois aux calculs théoriques et aux mesures expérimentales sont d’un facteur deux inférieur à celui du « Run 1 » (2011-2012).
Selon les chercheurs de l’expérience CMS :
La probabilité de produire un boson de Higgs dans une collision devient plus grande lorsque les particules qui entrent en collision interagissent fortement avec le champ de Higgs, c’est-à-dire lorsqu’elles sont lourdes.
Mais, aux niveaux d’énergie requis, les physiciens ne savent que faire entrer en collision des électrons et des protons, des particules relativement légères. Ils utilisent donc le fait que des particules plus lourdes sont occasionnellement produites dans ces collisions de particules légères. Lorsque des particules plus lourdes sont produites, leurs interactions avec le champ de Higgs peuvent être mesurées.
Les interactions entre le boson de Higgs et les particules élémentaires les plus lourdes connues, quarks up et quarks down, bosons Z et bosons W (responsables de la force faible) et lepton tau, ont été examinées dans les analyses. Les physiciens d’ATLAS ont déterminé que les données correspondent précisément, dans des marges d’erreur raisonnables comprises entre 5 et 20 % selon la collaboration CMS, au comportement prédit par le modèle standard.
En particulier, les chercheurs ont examiné les taux de production et de désintégration du boson de Higgs, où le Higgs se divise en d’autres particules, dans les événements de collision.
L’équipe suggère que, non seulement le boson de Higgs est conforme aux interactions prédites avec les particules connues, mais que les tests « fournissent également des contraintes strictes sur de nombreux modèles de nouveaux phénomènes au-delà du modèle standard ».
Les auteurs de l’expérience CMS affirment que :
Les interactions avec des particules très légères, telles que l’électron et les quarks up et down dont nous sommes constitués, sont trop rares pour que les méthodes actuelles puissent les observer.
Bien que la découverte du boson de Higgs du modèle standard ait été très attendue au LHC, la possibilité d’explorer autant de ses caractéristiques fut une surprise.
Avoir établi ne serait-ce qu’une partie du tableau général des interactions entre le boson de Higgs en seulement 10 ans est une réussite majeure, surtout si l’on considère qu’à l’époque de la mise en service du LHC, on pensait que de nombreux canaux de production et de désintégration qui sont au cœur des mesures actuelles étaient hors de portée du LHC.
Leur point de vue conclut :
Jusqu’à présent, toutes les mesures liées au boson de Higgs ont été conformes au modèle standard, le plus simple de tous les modèles actuels de la physique des particules : une victoire remarquable pour le rasoir d’Occam.
Aujourd’hui, il est clair que le mécanisme de Higgs, proposé pour la première fois dans les années 1960, est responsable non seulement des masses des bosons W et Z, mais aussi de celles des trois plus lourds fermions. Cela implique directement l’existence d’une cinquième force, médiée par le boson de Higgs.
L’une des clés de cette réussite, écrivent les chercheurs, est la masse fortuite du boson de Higgs lui-même, qui s’inscrit parfaitement dans les paramètres expérimentaux. Notre capacité à rassembler les résultats des collisions proton-proton individuelles dans un océan de collisions s’est également améliorée au cours de la dernière décennie, indiquent les chercheurs.
Toujours selon les chercheurs de l’expérience CMS :
La voie de l’amélioration est conceptuellement simple : avec 20 fois plus de données à venir dans les 15 à 20 prochaines années grâce à la mise à niveau à haute luminosité approuvée du LHC, et les améliorations des techniques d’analyse et des calculs théoriques, les expériences ATLAS et CMS espèrent déterminer l’ensemble des interactions actuellement observées à quelques pour cent près.
Sont également prévus des tests d’interactions de Higgs avec des particules plus légères, pas tout à fait aussi légères que les leptons de « première génération » comme les électrons et les quarks up et down, mais comme les leptons de « deuxième génération » tels que les muons, et la mesure du potentiel de Higgs, qui est l’énergie associée au champ de Higgs.
L’équipe ATLAS note également que nous devons encore déterminer l’interaction du boson de Higgs avec lui-même et ses désintégrations plus rares. Comme les données sur le boson de Higgs devraient plus que doubler au cours de la prochaine décennie, les progrès réalisés au cours des dix dernières années pour comprendre la « particule de Dieu » devraient se poursuivre dans les années à venir.
Symposium organisé au CERN le 4 juillet 2022 pour le dixième anniversaire de l’annonce de la découverte du boson de Higgs. La vidéo comprend des séquences de l’annonce historique de 2012, des séquences du prix Nobel de physique 2013 et des interviews vidéo de François Englert (théoricien, co-lauréat du Nobel 2013) et de Fabiola Gianotti, directrice générale du CERN.
Les résultats de la collaboration ATLAS publiées dans Nature : A detailed map of Higgs boson interactions by the ATLAS experiment ten years after the discovery et pour l’expèrience CMS : A portrait of the Higgs boson by the CMS experiment ten years after the discovery. Présentées sur le site du CERN, concernant les derniers résultats : ATLAS and CMS release results of most comprehensive studies yet of Higgs boson’s properties et concernant l’anniversaire de la découverte du Boson de Higgs : : The Higgs boson, ten years after its discovery.