Pierre angulaire du modèle standard de la physique des particules, le boson de Higgs dote d'une masse les différentes particules en interaction avec le champ de Brout-Englert-Higgs qui lui est associé.
En 2022, soit dix ans après sa découverte au LHC (Large Hadron Collider), le boson de Higgs est de nouveau l'objet de toutes les attentions car il est produit par des collisions de protons dont l'énergie atteint désormais 13,6 TeV (1012 eV).
Pour étudier ses propriétés, le LHC enchaîne les collisions de protons à raison de 40 millions par seconde, une collision sur un milliard conduisant à la production d'un boson de Higgs. Celui-ci se désintègre presque instantanément selon différents « canaux » dont il faut ensuite observer minutieusement tous les produits de désintégration.
La collaboration CMS a donc sélectionné les désintégrations dont les produits sont les plus faciles à distinguer des signaux parasites : les canaux « diphoton » (deux photons gamma) et « quatre leptons ». En particulier, la signature de la désintégration du boson de Higgs dans le canal diphoton est spectaculaire. Elle se compose de deux dépôts d'énergie importants et bien isolés dans le détecteur (calorimètre électromagnétique).
Derrière la prouesse, la précision extrême d'un détecteur
Pour l'identifier parmi les innombrables événements produisant deux photons, les physiciens de CMS utilisent des méthodes d'analyse de données sophistiquées et des techniques d'apprentissage automatique pour rejeter les événements indésirables.
Mais sans la précision extraordinaire du calorimètre électromagnétique de CMS, rien ne serait possible, même avec l'IA la plus performante ! C'est la contribution déterminante des équipes de l'Irfu, chargées de contrôler sa stabilité au cours du temps et de vérifier l'ajustement de la réponse des quelque 76.000 canaux de détection, ou encore, l'égalisation de la réponse en fonction de la rapidité des particules.
Les physiciens ont ainsi pu mesurer le taux de production (section efficace) du boson de Higgs à une énergie de 13,6 TeV qui reste à ce jour en accord avec les prédictions théoriques.
À la recherche de traces discrètes
Mieux, ils ont pu mesurer l'évolution de la section efficace de production du Higgs en fonction de son impulsion (grandeur associée à la masse et à la vitesse) ou du nombre de gerbes de particules l'accompagnant.
Ces sections efficaces « différentielles » intéressent en effet au plus haut point les théoriciens car la plupart des modèles au-delà du modèle standard prédisent des déviations pour des caractéristiques singulières d'événements, comme par exemple une grande valeur de l'impulsion transverse du boson de Higgs ou un grand nombre de jets accompagnant la production du boson de Higgs.
Aujourd'hui, la statistique utilisée pour ces mesures est trop faible pour exclure une théorie au-delà du modèle standard. Mais le LHC devrait encore augmenter sa luminosité (nombre de collisions par seconde), toujours à 13,6 TeV, et donc, offrir bientôt un échantillon de bosons de Higgs inégalé. Affaire à suivre…