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Du nouveau sur le boson de Higgs et l’origine de la masse des particules

Dernière mise à jour : mercredi 26 mars 2014, par Daniel Bloch

IN2P3, 16 Décembre 2013

 

Les collaborations Atlas et CMS ont présenté de nouveaux résultats précisant les caractéristiques du boson de Higgs, découvert en juillet 2012 auprès du Grand collisionneur de hadrons (LHC) au Cern à Genève. Le boson de Higgs est prédit par le mécanisme de Brout-Englert-Higgs qui permettrait d’expliquer l’origine des masses des particules de matière, améliorant considérablement notre compréhension de la nature intime de la matière. Les scientifiques ont désormais mis en évidence la désintégration du boson de Higgs en paire de particules "tau", cousines de l’électron et 3 500 fois plus lourdes. Les équipes Atlas et CMS du CNRS/IN2P3 jouent un rôle de premier plan dans ces mesures qui montrent pour la première fois expérimentalement que les masses des leptons (dont le lepton tau) pourraient avoir une origine commune à celles des autres particules du Modèle standard (les quarks et les bosons Z et W).

 

Le "Modèle standard" est le cadre théorique de la physique des particules. Il décrit la matière à l’aide de particules élémentaires appelées fermions : les leptons (électrons, muons, taus, neutrinos) et les quarks (composants du noyau). Les interactions entre ces particules de matières sont quant à elles transmises par des particules appelées bosons. La découverte le 4 juillet 2012 reposait principalement sur l’analyse de la production du boson de Higgs impliquant le quark le plus lourds (le quark top) et sa désintégration en paire de deux bosons : "photon-photon", "ZZ" et "WW". Ces désintégrations permettaient déjà de conclure sur le fait que la particule observée ressemblait grandement à un boson de "Higgs", mais une analyse plus détaillée nécessitait encore du temps.

Désormais, la compréhension de cette particule s’affine, avec l’observation de sa désintégration en deux particules leptons taus ("τ") et les premiers résultats pour sa désintégration en deux quarks beaux ("b"). Par ailleurs, les expériences Atlas et CMS n’ont pas observé de désintégration du boson de Higgs en deux électrons et en deux muons. Ces particules, "cousines" du tau, sont aussi beaucoup plus légères que lui, ce qui explique qu’elles interagissent très différemment avec le boson de Higgs, sensible à la masse des particules.

C’est une étape majeure pour la compréhension de ce nouveau boson qui met en évidence que le mécanisme de Brout-Englert-Higgs permettrait d’expliquer l’origine des masses des particules de matière des différentes familles, les fermions, Elles ne permettent pas encore de trancher définitivement sur la nature de cette particule qui ressemble pour l’instant au boson de Higgs, dans sa version la plus simple telle qu’incorporée dans le Modèle Standard. Ce résultat apporte néanmoins un progrès considérable sur la compréhension de la nature intime de la matière. Il pourrait aussi constituer une porte d’entrée vers une nouvelle physique. Le boson de Higgs pourrait en effet s’avérer être le plus léger des cinq bosons de Higgs dits "supersymétriques". Pour répondre, et caractériser tous les modes de désintégration du boson, il faudra disposer d’un nombre beaucoup plus grand de données du LHC, ce qui ne pourra être obtenu qu’après le redémarrage de l’accélérateur en 2015.

 

La mesure d’Atlas et CMS en détail

L’unité de mesure pour qualifier une mesure est le taux de confiance, ou écart-type "sigma". Avec trois sigmas, il reste une chance sur mille que l’effet ne soit pas confirmé. Avec cinq sigmas, il s’agit de moins d’une chance sur un million : on parle alors de découverte.

La collaboration Atlas, a observé la désintégration du boson de Higgs en deux taus avec un taux de confiance de 4,1 sigmas.
Pour en savoir plus (en anglais) : http://atlas.ch/news/2013/higgs-into-fermions.html

La collaboration CMS a mesuré la désintégration deux taus avec un taux de confiance de 3,4 sigmas et de 2,1 sigma pour sa désintégration en 2 quarks beaux. En combinant ces deux informations, elle obtient un taux de confiance pour la désintégration du boson de Higgs en "fermions" de 4 sigmas.
Pour en savoir plus (en anglais) : http://cms.web.cern.ch/news/cms-presents-evidence-higgs-decays-fermions

 

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Collision candidate pour signer la présence d’un boson de Higgs se désintégrant en deux taus dans le détecteur CMS
Les deux taus se désintègrent pour l’un en muon (ligne rouge) et pour l’autre en hadron chargé (blocs bleu). Crédit : Cern/CMS

Les laboratoires du CNRS et du CEA impliqués dans les expériences Atlas et CMS

Atlas

  • Centre de physique des particules de Marseille (CPPM, CNRS /Aix-Marseille Université),
  • Laboratoire de l’accélérateur linéaire (LAL, CNRS/ /Université Paris-Sud),
  • Laboratoire d’Annecy-le Vieux de physique des particules (LAPP, CNRS/Université de Savoie),
  • Laboratoire de physique corpusculaire de Clermont-Ferrand (LPC, CNRS/Université Blaise Pascal),
  • Laboratoire de physique nucléaire et de hautes énergies (LPNHE, CNRS/UPMC/Université Paris Diderot),
  • Laboratoire de physique subatomique et de cosmologie de Grenoble (LPSC, CNTS/Université Joseph Fourier/Institut national polytechnique de Grenoble),
  • Institut de recherche sur les lois fondamentales de l’Univers (CEA).

CMS

  • Institut pluridisciplinaire Hubert Curien (IPHC, CNRS/Université de Strasbourg),
  • Institut de physique nucléaire de Lyon (IPNL, CNRS/Université Claude Bernard-Lyon 1),
  • Laboratoire Leprince-Ringuet (LLR, CNRS/École polytechnique),
  • Institut de recherche sur les lois fondamentales de l’Univers (CEA)