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Le boson de Higgs

Le boson de Higgs est la dernière particule du Modèle Standard (MS) dont l'existence a été expérimentalement confirmée. 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 dont les propriétés 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. La désintégration du boson de Higgs en une paire de leptons tau a également été observée récemment.

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 !

L'appellation 'boson de Higgs' est admise par la communauté afin de parler de la particule découverte par ATLAS et CMS en 2012. En effet, plusieurs propriétés de la particule - dont son spin - ont été mesurées et sont en accord avec les prédictions du Modèle Standard. La désintégration du boson de Higgs en une paire de leptons tau a été observée, mais sa désintégration en une paire de quarks b reste à confirmer.

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 bosons de Higgs et qui se désintègrent en ZZ ou γγ.

N’est-il pas formidable que les données qui ont été utilisées pour découvrir le boson de Higgs vous soient également accessibles afin que vous puissiez vous aussi les analyser?

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 !