Des scientifiques du CERN trouvent la durée de vie du boson de Higgs

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Le Solénoïde compact à muons (Compact Muon Solenoid ou CMS)* a établi une valeur de durée de vie pour le boson de Higgs avec une marge d’erreur suffisamment faible pour confirmer que la particule a une durée de vie très courte. Source : CERN.


Un boson de Higgs candidat se transformant en quatre muons (lignes rouges). © Photo : CERN.

Le boson de Higgs  ne vit que très peu de temps. En effet, une fois créée, lors d’une collision de particules, la célèbre particule vit moins de 1.6×10-22 seconde. Ce résultat reposait jusqu’à présent sur la théorie, puisque les expériences avaient uniquement permis de définir des limites à la valeur de la durée de vie de la particule, et ce avec une grande marge d’erreur. Mais ce n’est plus le cas aujourd’hui. Dans une nouvelle étude, la collaboration CMS établit cette valeur avec une marge d’erreur suffisamment réduite pour confirmer que le boson de Higgs a effectivement une durée de vie très courte.

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Mesurer la durée de vie du boson de Higgs est particulièrement important pour les physiciens des particules. En effet, disposer d’une valeur expérimentale leur permettrait d’une part de mieux comprendre la nature de la particule, et d’autre part de vérifier si cette valeur correspond bien à celle prédite par le Modèle standard de la physique des particules. Un écart par rapport à la prédiction pourrait indiquer la présence de nouvelles particules ou forces non prédites par le Modèle, y compris de nouvelles particules qui seraient produites lors de la désintégration du boson de Higgs.

Toutefois, mesurer la durée de vie du boson de Higgs n’est pas chose facile. En effet, la durée de vie prédite est trop courte pour être mesurée directement. Pour pallier cette difficulté, une solution serait de mesurer une propriété connexe, dite largeur de la masse, qui est inversement proportionnelle à la durée de vie et qui correspond à la gamme de masses possibles autour de la masse nominale de la particule, soit 125 GeV. Cette solution présente aussi des difficultés puisque la largeur de masse prédite du boson de Higgs est trop petite pour être facilement mesurable par des expériences.

Il faut donc faire appel à la physique quantique. Les particules à courte durée de vie, telles que le boson de Higgs, peuvent être produites à une masse égale ou proche de leur valeur nominale, mais peuvent également être produites à une masse beaucoup plus élevée même si la probabilité d’une telle production est plus faible. Ce phénomène, de même que la largeur de la masse de la particule, est une conséquence d’une bizarrerie quantique connue sous le nom de principe d’incertitude d’Heisenberg ; la comparaison entre le taux de production de ces bosons de Higgs de grande masse (« off-shell »), et celui des bosons de Higgs de masse nominale, ou dont la masse est proche de la valeur nominale (« on-shell »), peut être utilisée pour déterminer la largeur de la masse du boson de Higgs et donc sa durée de vie.

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L’équipe de CMS a utilisé cette approche dans le cadre de sa nouvelle étude. En analysant les données collectées par l’expérience CMS durant la deuxième période d’exploitation du Grand collisionneur de hadrons (LHC), en particulier les données portant sur la transformation des bosons de Higgs en deux bosons Z, se transformant eux-mêmes en quatre leptons ou en deux leptons chargés et deux neutrinos, les chercheurs de CMS ont obtenu le premier indice de la production de bosons de Higgs de grande masse (off-shell). Grâce à ce résultat, qui n’a qu’une chance sur 1000 d’être un simple effet statistique, l’équipe de CMS a déterminé que la durée de vie du boson de Higgs est de 2,1 x 10-22 secondes, avec une incertitude de (+2,3/-0,9) x10-22 seconde. Cette mesure est la plus précise à ce jour ; elle correspond tout à fait aux prédictions du Modèle standard et vient confirmer le fait que la particule a une durée de vie très courte.

“ Notre résultat démontre que la production de bosons de Higgs de grande masse (off-shell) nous donne un excellent outil de mesure de la durée de vie du boson de Higgs”, déclare Pascal Vanlaer, physicien à CMS. C’est une étape importante dans l’étude des propriétés de cette particule très spéciale. Le niveau de précision de la mesure devrait s’améliorer dans les années à venir grâce aux données qui seront issues des prochaines exploitations du LHC et aux nouvelles techniques d’analyse”.

* Le Solénoïde compact à muons (Compact Muon Solenoid ou CMS) est un détecteur à usage général du Grand collisionneur de hadrons (LHC). Il est conçu pour étudier un large éventail de domaines physiques, y compris la recherche du boson de Higgs, des dimensions supplémentaires et des particules qui pourraient constituer la matière noire. Bien qu’elle ait les mêmes objectifs scientifiques que l’expérience ATLAS, elle utilise des solutions techniques différentes et une conception de système magnétique différente.

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Pour aller plus loin : Life of the Higgs boson, publiée par CMS Collaboration.

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