Genève, le 28 août 2018. Six ans après la découverte du boson de Higgs la désintégration de cette particule en d'autres particules fondamentales, les quarks b, a enfin été observée. Ce résultat, présenté aujourd'hui au CERN1 par les collaborations ATLAS et CMS auprès du Grand collisionneur de hadrons (LHC), est compatible avec l'hypothèse que le champ quantique lié au boson de Higgs donne également sa masse au quark b. Les deux collaborations publient leurs résultats aujourd'hui.
D'après le Modèle standard de la physique des particules, dans 60 % des cas, le boson de Higgs se désintègre en une paire de quarks b, qui vient en deuxième position par sa masse sur l'ensemble des six quarks. Il est crucial de confirmer ou d'infirmer cette prédiction, car le résultat viendra, soit étayer le Modèle standard – qui veut que le champ de Higgs dote d'une masse le quark et d'autres particules fondamentales – soit remettre en question les fondements du Modèle en ouvrant la voie à une nouvelle physique.
Arriver à repérer ce mode de désintégration du Higgs, qui est commun, est loin d'être facile, comme l'ont montré les six années écoulées depuis la découverte de cette particule. La difficulté vient du fait qu'il existe de nombreux autres modes de production des quarks b dans les collisions proton-proton. Il est donc compliqué d'isoler le signal de désintégration du boson de Higgs du « bruit de fond » constitué par toutes les autres désintégrations. Par contre, les modes de désintégration du Higgs observés au moment de la découverte de la particule, tels que la désintégration en une paire de photons, qui sont plus rares, sont beaucoup plus faciles à repérer.
Pour extraire le signal, les collaborations ATLAS et CMS ont toutes deux combiné des données issues de la première et de la deuxième périodes d'exploitation du LHC, correspondant à des collisions à des énergies de 7, 8 et 13 TeV. Puis des méthodes d'analyse complexes ont été appliquées aux données. Le résultat, obtenu aussi bien par ATLAS que par CMS, est la détection de la désintégration du boson de Higgs en une paire de quarks b, avec une signification statistique supérieure à cinq écarts-types. En outre, les deux équipes ont mesuré un taux de désintégration qui correspond à la prédiction du Modèle standard, dans les limites de la précision actuelle de la mesure.
« Cette observation constitue une étape marquante dans l'étude du boson de Higgs. Elle montre que les expériences ATLAS et CMS sont parvenues à une compréhension approfondie de leurs données, et à une maîtrise des bruits de fond qui dépasse les attentes. ATLAS a désormais observé tous les couplages du boson du Higgs aux quarks lourds et aux leptons de troisième génération ainsi que l'ensemble des modes de production principaux », explique Karl Jakobs, porte-parole de la collaboration ATLAS.
« Depuis la première observation, dans une seule expérience, de la désintégration du boson de Higgs en leptons tau, il y a un an, CMS, de même que nos collègues d'ATLAS, a observé le couplage du boson de Higgs aux fermions les plus massifs : le tau, le quark t, et à présent le quark b. La magnifique performance du LHC, et les techniques modernes d'apprentissage automatique nous ont permis d'aboutir à ce résultat plus tôt que prévu », explique Joel Butler, porte-parole de la collaboration CMS.
Avec davantage de données, les collaborations amélioreront la précision de ces mesures, et d'autres mesures, et pourront étudier la désintégration du boson de Higgs en une paire de fermions beaucoup moins massifs appelés muons, tout en continuant à rechercher d'éventuels écarts dans les données, susceptibles de révéler une physique au-delà du Modèle standard.
« Les expériences continuent à se concentrer sur la particule de Higgs, qui est souvent considérée comme une porte d'accès à la nouvelle physique. Ces très beaux résultats, obtenus rapidement, montrent l'intérêt de nos projets d'amélioration du LHC visant à augmenter substantiellement la quantité de données. Il apparaît désormais que les méthodes d'analyse atteignent la précision requise pour l'exploration de la totalité du paysage de la physique, y compris, nous l'espérons, la nouvelle physique qui est restée si bien cachée jusqu'à présent », ajoute Eckhard Elsen, directeur de la recherche et de l’informatique du CERN.
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