L'incroyable légèreté du Higgs

Vue du détecteur d'ATLAS. La collaboration annonce les résultats d'un ensemble d'études portant sur la recherche d'une nouvelle particule qui pourrait expliquer la légèreté du Higgs. (Image : Claudia Marcelloni/ATLAS CERN)

Pourquoi le boson de Higgs est-il si léger ? C'est là une question qui préoccupe les physiciens des particules depuis la découverte du Higgs en 2012. En effet, la théorie expliquant l'interaction du Higgs avec la plus massive de toutes les particules élémentaires observées, le quark t, inclut des corrections à un niveau fondamental (quantique) qui pourraient entraîner une masse du Higgs beaucoup plus importante que la valeur mesurée, qui est 125 GeV. Par « beaucoup plus importante », on entend que cette différence pourrait être de seize ordres de grandeur. La faiblesse de la masse du Higgs semble indiquer l'existence possible d'autres particules susceptibles de rendre caduques les corrections quantiques s’appliquant aux interactions avec le quark t (et d'autres particules lourdes).

Dans un article publié en ligne et soumis à la revue Physical Review Letters, la collaboration ATLAS rend compte des résultats d'un ensemble d'études qu’elle a menées pour trouver une nouvelle particule  – dite quark t de type vecteur – qui pourrait être un facteur contribuant à la légèreté du Higgs.

Plusieurs hypothèses ont été formulées pour éliminer les fortes corrections quantiques apportées à la masse du boson de Higgs. Un grand nombre d'entre elles font appel au quark t de type vecteur, particule hypothétique non prédite par le Modèle standard de la physique des particules. Contrairement au quark t du Modèle standard, qui se désintègre invariablement en un quark b et un boson W, le quark t de type vecteur se désintégrerait selon trois modes différents, si tant est qu'il se désintègre en particules du Modèle standard. Plus précisément, un quark t de type vecteur se désintégrerait en un quark b et un boson W, ou en un boson Z et un quark t, ou encore en un boson de Higgs et un quark t.

Pour augmenter ses chances de trouver des quarks t de type vecteur, la collaboration ATLAS a effectué plusieurs types d'études à partir des données issues des collisions proton-proton recueillies auprès du LHC en 2015 et 2016 à une énergie de 13 TeV ; chaque étude s'intéresse à un ensemble particulier de désintégrations de particules. Puis, les scientifiques d'ATLAS ont combiné les résultats afin d'augmenter les chances de trouver des quarks t de type vecteur, sans pour autant observer d’indice de cette particule hypothétique.

Cependant, l'analyse a permis d'étendre la portée des différentes études prises séparément et de fixer les limites inférieures les plus contraignantes à ce jour sur la masse des quarks t de type vecteur. L'analyse exclut ainsi les quarks t de type vecteur ayant des masses inférieures à environ 1 300 GeV pour toute combinaison des trois désintégrations du quark t en particules du Modèle standard. La précédente limite inférieure retenue pour une étude individuelle était 1 190 GeV.

La suite s'avérera plus coriace : pour des masses supérieures à 1 300 GeV, la production d'un unique quark t de type vecteur est plus fréquente que celle d'une paire. La recherche continue néanmoins, s'appuyant sur l'abondance de données en provenance du LHC.