CMS précise le portrait du Higgs

Les nouveaux résultats publiés par la collaboration CMS permettent de préciser les propriétés du boson de Higgs (Image : Maximilien Brice/CMS)

Alors que le Grand collisionneur de hadrons (LHC) se prépare à redémarrer dans quelques mois, les données recueillies pendant la première campagne d’exploitation commencent à nous éclairer sur les caractéristiques du Higgs.

Une récente publication de la collaboration CMS permet de faire le point, à partir d’une grande quantité de résultats, sur les propriétés du boson de Higgs. L’article, publié dans The European Physical Journal C (disponible à arXiv :1412.8662) présente ce que les physiciens de CMS ont appris sur la particule à partir des données acquises entre 2011 et 2012. Si l’on y ajoute un autre article sur le spin et la parité du boson [arXiv :1411.3441], les résultats dessinent le portrait d’une particule qui, pour le moment, ressemble trait pour trait au boson de Higgs prédit par le Modèle standard.

Le Modèle standard de la physique des particules est un cadre théorique qui explique comment les constituants fondamentaux de la matière interagissent, sous l’influence de quatre forces fondamentales. Élaboré au début des années 1970, il a permis d'expliquer la quasi-totalité des résultats expérimentaux et de prédire avec exactitude une grande variété de phénomènes – et notamment la masse du boson de Higgs.

L’expérience CMS a combiné récemment des mesures issues de différentes désintégrations du Higgs afin d’extraire la mesure de sa masse la plus précise à ce jour : 125,02±0,30 GeV, avec une incertitude relative de 0,2 %. Cette incertitude peut être décomposée en un élément systématique (±0,15 GeV) et un élément statistique (±0,26 GeV), ce qui ouvre d’excellentes perspectives pour la deuxième période d’exploitation : on aura une mesure de masse encore plus précise, puisque, avec une plus grande quantité de données, l'élément statistique sera réduit.

Le boson de Higgs était la pièce manquante du Modèle standard. Découvert par les expériences CMS et ATLAS en 2012, c’était la dernière particule prédite par le Modèle à être vérifiée expérimentalement. Tous les paramètres étant maintenant contraints par les résultats des expériences, les physiciens peuvent à présent utiliser le Modèle pour réaliser des prédictions encore plus spécifiques. Ainsi, ayant mesuré la masse du boson de Higgs, le Modèle standard permet de réaliser des prédictions non ambiguës sur ce que devraient être les autres propriétés du boson de Higgs. Certaines de ces prédictions, concernant par exemple le spin (zéro), la parité (positive) et la charge électrique (neutre) de la particule découlent directement des symétries du Modèle standard. Pour d’autres, par exemple l’intensité de l’interaction (ou couplage) du boson de Higgs avec d’autres particules du Modèle standard, les vérifications sont plus difficiles.

Le boson de Higgs se désintègre selon les cas en une multitude de particules différentes, en particulier des photons, des bosons Z, des bosons W, des leptons tau, des quarks b et des muons. Étudier la façon dont le Higgs se désintègre en ces particules, et avec quelles probabilités, permettra aux physiciens de compléter le tableau et d'acquérir une meilleure compréhension du Higgs.

Le fait qu’on n’a pas trouvé d’écart significatif par rapport au Modèle standard crée des attentes très élevées pour la deuxième campagne d’exploitation du LHC. Théoriciens et expérimentateurs continueront à travailler ensemble pour débusquer la moindre irrégularité dans les résultats produits.  Cette irrégularité pourrait être le signe d’un passage permettant de sortir du territoire du Modèle standard, pour pénétrer en terre inconnue, au-delà de ce modèle. La deuxième campagne d’exploitation s’annonce passionnante.