Le boson de Higgs

Le boson de Higgs est la seule particule du Modèle Standard (MS) dont l’existence n’est pas encore complètement établie – suivez ce lien pour en savoir plus. Cependant, en juillet 2012, les expériences ATLAS et CMS ont annoncé au CERN la découverte d’un nouveau boson dont la masse vaut environ 125 GeV et donc les propriétés actuellement mesurées sont compatibles avec celles du boson de Higgs tant attendu.

Le MS ne prédit pas la masse du boson de Higgs. Par contre, à une masse donnée, le MS prédit sa probabilité de production lors de collisions entre particules, ainsi que ses modes de désintégration et les particules connues qui en sont les produits. Le graphique suivant donne les probabilités des différents états finaux possibles pour la désintégration d’un boson de Higgs de 125 GeV.

Un tel boson de Higgs est très lourd – plus lourd même que le boson Z que vous avez déjà rencontré – et il a donc une durée de vie très courte : il vole sur une très petite distance avant de se désintégrer. Il n’y a donc aucune chance de le détecter directement dans ATLAS, ni dans aucun autre détecteur de particules d’ailleurs.

Le boson de Higgs peut être produit lors de collisions proton-proton à haute énergie au LHC. ATLAS et CMS ont observé les désintégrations suivantes : (i) en deux bosons Z, donnant au final deux paires de leptons chargés, (ii) en deux photons et (iii) en deux bosons W qui se désintègrent ensuite en deux leptons chargés et deux neutrinos.

Dans ce parcours Z, vous aurez la possibilité de rechercher les désintégrations (i) et (ii) du boson de Higgs ; vous reproduirez ainsi en partie les recherches menées par les physiciens d’ATLAS au CERN !

Vous vous demandez peut-être pourquoi la découverte du CERN parle d’une particule « ressemblant au Higgs » et non pas « du » boson de Higgs lui-même ! La réponse est purement scientifique. Bien que les désintégrations de cette nouvelle particule en ZZ, W+W- et γγ aient été observées (comme attendu pour un boson de Higgs), ses désintégrations en leptons et en quarks n’ont pas encore été confirmées, en particulier celles produisant des paires de quarks b ou de leptons tau.

Mais, au fait, comment est-il possible que des désintégrations « rares » comme H→γγ (dont la probabilité d’occurrence est 0,2%) aient été observées, mais pas le mode le plus « fréquent » : H→bb̅ (probabilité de 57%) ? En fait, cette dernière désintégration donne au final deux jets de particules, qu’il est très difficile d’identifier parmi la production beaucoup plus abondante de jets « normaux », dus à la plus intense des forces – l’interaction forte.

Si vous êtes patients, vous pourrez sans doute étudier ce mode de désintégration lors de futures sessions Masterclasses. Aujourd’hui, bonne chance pour votre recherche de particules « ressemblant au Higgs » et qui se désintègrent en ZZ ou γγ.

N’est-ce pas formidable qu’à peine quelques mois après l’annonce de la découverte de ce nouveau boson vous ayez déjà la possibilité de le chercher par vous-même ?

Suivez ce lien si vous voulez en savoir plus sur le Higgs. Dans le Modèle Standard, au champ de Higgs (lequel confère leur masse aux particules) correspond le boson de Higgs dont le spin est nul. C’est cette dernière particule que vous avez cherchée au LHC !