François Englert (à gauche), malheureusement sans Robert Brout, a rencontré Peter Higgs pour la première fois au Cern, le 4 juillet 2012. Les deux hommes ont reçu le prix Nobel de physique 2013. © Maximilien Brice, Laurent Egli, Cern

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Au LHC, une nouvelle fenêtre s'ouvre sur la physique du boson de Higgs

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Sans le boson de Brout-Englert-Higgs (BEH), les collisions entre deux bosons W conduisent à des incohérences dans le cadre du modèle standard, à moins de postuler de la nouvelle physique. Or, une équipe vient justement d'en trouver la trace dans les données recueillies au LHC par l'instrument Atlas. Ces collisions font-elles bien intervenir le boson de Higgs ou autre chose ? C'est ce qui doit être vérifié désormais.

Il y a deux ans exactement, le Cern annonçait avoir découvert un nouveau boson en étudiant les produits des collisions de protons avec les détecteurs Atlas et CMS. L'année suivante, les progrès dans l'analyse des données collectées ont conduit la communauté de la physique des hautes énergies à admettre qu'il s'agissait bien du mythique boson scalaire du modèle électrofaible dont l'existence avait été postulée par Peter Higgs, François Englert et Robert Brout et quelques autres physiciens au cours des années 1960.

Le boson de Brout-Englert-Higgs (BEH), comme on l'appelle désormais, et surtout le champ qui lui est associé, est un ingrédient essentiel pour donner une masse aux bosons W et Z de la théorie unifiée des forces nucléaires faible et électromagnétique via un mécanisme de brisure de symétrie. Ces bosons véhiculent la force nucléaire faible responsable, entre autres, de la désintégration bêta des neutrons. Leur découverte au début des années 1980 au Cern avait déjà considérablement crédibilisé l'existence du champ et du mécanisme de Brout-Englert-Higgs. On savait aussi qu'ils permettaient de "renormaliser" le modèle standard, c'est-à-dire de supprimer les quantités infinies indésirables qui apparaissaient dans les calculs issus des théories quantiques des champs que l'on utilise pour décrire les forces entre les quarks et les leptons dans le cadre de ce modèle.

Des diagrammes de Feynman montrant des collisions entre bosons W sans l'intervention du boson de Brout-Englert-Higgs. Le temps s'écoule de bas en haut. Les bosons W sont chargés positivement (W+) et négativement(W-). Le diagramme du milieu correspond à une annihilation d'un boson W+ avec un boson W- qui donne un boson Z neutre ou un photon γ lesquels donnent plus tard une nouvelle pair de bosons W. © David Stancato, John Terning

Cependant, on sait que ce cadre souffre de plusieurs défauts. Ainsi, bien que le champ BEH intervient dans l'explication de l'origine des masses des quarks et des leptons (rappelons que la masse des protons et des neutrons proviennent des champs de gluons de la QCD) via les couplages dits de Yukawa, il ne permet pas de calculer ces masses. Il existe d'autres paramètres libres dans le modèle standard qui requièrent une nouvelle physique pour expliquer leur présence et leurs valeurs. On peut chercher des traces de cette nouvelle physique en comparant les prédictions de la théorie électrofaible concernant le boson BEH avec les résultats des expériences que l'on peut conduire au LHC.

Un diagramme de Feynman avec l'axe du temps horizontale. Deux quarks (q) entrent en collisions et s'éloignent l'un de l'autre (q') en donnant deux bosons W+ qui interagissent. © Atlas Collaboration

Le boson BEH, un clé de la cohérence du modèle standard

Sur ce sujet, les membres de la collaboration Atlas ont récemment mis en ligne sur arxiv, un article qui porte sur l'évaluation d'un processus bien particulier prédit par le modèle électrofaible. Il s'agit de ce qui peut se produire lorsque deux bosons W entrent en quelque sorte en collision. Plusieurs réactions sont alors possibles dont les probabilités sont données par les fameux diagrammes de Feynman. En l'absence des contributions du boson de BEH, les calculs prédisent que ces probabilités sont supérieures à 1 lorsque l'énergie des collisions dépasse 1 TeV. Dans le jargon des physiciens, on dit qu'il y a violation de l'unitarité avec les amplitudes de probabilités pour les collisions WW.

Une variante du diagramme de Feynman précédent fait intervenir pour la collision de deux bosons W+ une contribution du boson de Brout-Englert-Higgs (la ligne en tirets). © Atlas Collaboration

Par définition, des probabilités ne peuvent être supérieures à 1. La solution la plus simple et la plus naturelle à ce problème du modèle standard est justement de faire intervenir la présence du boson BEH comme un intermédiaire possible de réaction. Il en existe une seconde, mais qui est devenue bien moins plausible au cours des années. Elle fait intervenir l'existence d'un nouveau boson de spin 1 dans le cadre des théories dites de technicouleurs (il existe en fait encore une autre possibilité mais très exotique, la théorie des classicalons).

En poursuivant les analyses des collisions faites dans Atlas avec des énergies de 8 TeV, les physiciens ont fini par mettre en évidence les réactions de collisions entre bosons W faisant intervenir le boson de BEH. 34 événements ont été détectés avec un signal qui est de l'ordre de 3,6 sigma, soit environ une chance sur 6.000 pour qu'il s'agisse de simples fluctuations statistiques mimant les prévisions du modèle standard.

Deux diagrammes de Feynman montrant des collisions entre boson W avec comme intermédiaire de réaction un boson de Brout-Englert-Higgs (h). Le temps s'écoule de bas en haut. À droite une annihilation d'un boson W+ avec un boson W- qui donne un boson h neutre lesquel donne plus tard une nouvelle pair de bosons W. © David Stancato, John Terning

Il va falloir encore accumuler de la statistique, c'est-à-dire augmenter le nombre d'événements détectés pour vraiment confirmer que l'on observe bien les collisions WW. Cela ne sera possible qu'avec le redémarrage des collisions de protons au LHC au printemps 2015. Non seulement elles se feront à des énergies plus élevées mais aussi avec une luminosité plus importante. Ce qui veut dire que la vitesse de collecte des données dans les expériences va être plus grande. On saura alors si la fenêtre sur la physique du Higgs qu'ouvre la détection des collisions WW confirme ou non les prédictions de la théorie électrofaible. Ce qui semble être le cas pour le moment.

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