La particule de Higgs est la plus célèbre de toutes les nouvelles particules que l'on cherche à découvrir au LHC. L'observer démontrerait la validité d'une théorie établie au milieu des années 1960 et qui décrit le mécanisme qui confère une masse à toutes les particules du Modèle Standard. En faisant appel à des concepts mathématiques compliqués comme les symétries, on peut montrer que les particules élémentaires étaient sans masse juste après le Big-bang. La théorie proposée avance qu'un milieu collant appelé "le champ de Higgs" s'est répandu dans l'Univers un millième de milliardième de seconde après le Big-bang. Depuis ce moment les particules ont des masses différentes de zéro : plus elles intéragissent avec ce milieu -- c'est-à-dire plus leur masse est élevée -- plus il faut une force importante pour les accélérer. Pour mettre en évidence ce champ de Higgs il faut l'exciter un peu comme on agiterait un fluide ou un gaz. Les "vaguelettes" produites sont les quanta associés à l'excitation du champ de Higgs que l'on appelle particules de Higgs. Elles sont massives et ont une durée de vie très courte. Elles se désintègrent en d'autres particules avant même d'atteindre les détecteurs et ne peuvent donc être identifiées que par l'intermédiaire de leurs produits de désintégration. Pour compliquer encore un peu plus le tableau, ces derniers dépendent de la masse de la particule de Higgs dont la valeur est ... inconnue ! C'est pourquoi les physiciens cherchent toutes les signatures qui pourraient correspondre à une désintégration de la particule de Higgs. Dans le graphique ci-dessous, basé sur des calculs théoriques et qui contient également les résultats récents d’ATLAS et de CMS, on compare le poids (donné par un nombre fractionnaire sur l’axe y vertical) des modes de désintégration les plus importants du boson de Higgs. Vous pouvez également voir sur cette image des zones hachurées. Elles correspondent à des intervalles permis théoriquement pour la masse du Higgs (axe x horizontal) mais qui ont été exclus expérimentalement, soit récemment (et à 95% de degré de confiance) par les expériences ATLAS et CMS du LHC, soit par les expériences du LEP (le collisionneur qui a précédé le LHC au CERN) il y a dix ans. Enfin, ce graphique résume la variation de ces poids en fonction de la masse du Higgs – évidemment encore inconnue.



Observez attentivement la ligne bleue pointillée indiquée par les deux lettres « WW ». Comme il est impossible de prouver l’existence du boson de Higgs en observant un excès d’événements contenant des paires quark-antiquark (et sensibles à un bruit de fond important), cette ligne nous dit simplement qu’une désintégration du boson de Higgs en deux particules W est le scénario le plus probable pour cet événement, étant donnée la gamme de masses encore possibles. Puisque le Higgs est neutre, les deux bosons W ont des charges électriques opposées.

Mais il y a un hic : la désintégration d’un boson de Higgs en deux W ressemble beaucoup à la production simultanée de deux bosons W de charges électriques opposées dans l’événement. Ce processus est parfaitement prédit par le Modèle Standard et il n’a rien à voir avec la production d’un boson de Higgs (voir le diagramme de Feynman à droite ci-dessous). Il y a même pire : ce processus particulier (production de deux bosons W sans passage par un boson de Higgs) est beaucoup plus fréquent que celui qui est recherché : de 4 à 10 fois plus selon la masse invariante de la paire de W. Mais alors, comment peut-on séparer ces deux phénomènes ? Et bien c’est impossible si l’on se contente de regarder des visualisations d’événements. Par contre, on peut les distinguer grâce au renfort de quantités physiques particulières, appelées variables discriminantes, et que vous allez devoir apprendre pour pouvoir analyser les données à votre tour. En physique des particules, cette démarche porte le doux nom de « augmentation du rapport signal sur bruit de fond ». Spécialisons-nous dans la recherche du mode de désintégration WW du boson de Higgs. Ces deux particules se désintègrent de manière indépendante selon les lois en vigueur dans le Modèle Standard. Un W se désintègre soit en une paire quark-antiquark soit en une paire lepton-antilepton. Dans la suite on va se concentrer sur ce dernier processus en excluant les paires tau-antitau qui sont plus difficiles à identifier. Les scientifiques le désignent de la manière suivante : H→WW→lνlν – ou plus simplement WW→lνlν – avec la lettre générique « l » qui désigne un électron, un muon, un positron ou un anti-muon. Pour augmenter le rapport signal sur bruit (de fond) pour le mode de désintégration choisi, nous allons nous concentrer sur l’angle que forment les deux leptons dans le plan transverse. Selon la mécanique quantique, les désintégrations contenant un boson de Higgs sont en majorité associées à des angles inférieurs à 90 degrés tandis que les événements WW du Modèle Standard correspondent plutôt à des angles supérieurs à 90 degrés. Cette différence se voit très bien sur des histogrammes.

Voici deux diagrammes de Feynman supplémentaires montrant pour l’un la production et la désintégration d’un boson de Higgs et pour l’autre un événement de bruit de fond (dans ce cas précis la production d’une paire de quarks top lourds).

Maintenant vous pouvez trouver cette particule -- en avant pour la mesure !

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