Higgs->Quarks-b
De l'eau au moulin du modèle standard

© Thierry PERIAT : Textes, idées et photos (Muraille de Chine à la sortie de Pékin)

Un nouvel argument en faveur du modèle standard

En 1964 et 1966 P. W. Higgs [01] puis en 1967, F. Englert, R. Brout et d’autres chercheurs [02] proposent un mécanisme permettant d’expliquer comment les particules acquièrent leur masse. Il faut attendre 2012 pour que celui-ci soit enfin corroboré par l’analyse de collisions « proton – proton » réalisées par les collaborations ATLAS et CMS au LHC.

Pour autant, après cette découverte essentielle dans la progression des sciences expérimentales et fondamentales, de nombreux doutes subsistent sur la nature exacte des particules aperçues au LHC (les bosons de Higgs – *lien externe Wikipédia France) et sur le mécanisme proposé. Car si le repérage de ces bosons vient bien confirmer les prédictions théoriques faites quelques années auparavant et fermer une porte ouverte plus de cinquante ans plus tôt, il ouvre immédiatement aussi une nouvelle ère au cours de laquelle les chercheurs interrogent leur propre compréhension du mécanisme d’interaction entre le Higgs et les autres particules.

Cette attitude provient autant des principes de fonctionnement des sciences (le nécessaire doute cartésien*) que du mécanisme proposé par Higgs qui fait de sa particule un être hautement instable.  Les équipes de chercheurs ont donc décidé de réaliser de nouvelles expériences confirmant (ou non) les premières observations. D’après un article paru récemment [03], deux expérimentations réalisées par le CERN viennent de confirmer le schéma proposé initialement puisqu’elles prouvent que les bosons de Higgs se désintègrent bien dans 58% des cas en quarks-bottom.

Finalement, la théorie des interactions faibles* conçues autrefois par Weinberg et Salam [04] puis intégrée au cœur du modèle standard des particules n’offre pas seulement une explication pour la masse des bosons intermédiaires W et Z. Elle fournit aussi un chemin logique permettant de comprendre la masse des fermions (incluant les quarks et les fermions chargés). Pour rappel, au sein de ce modèle, les fermions interagissent directement avec les champs de Higgs via le mécanisme proposé par Yukawa (lien externe Wikipédia GB). Cette interaction génère à la fois la masse de ces fermions et le couplage aux bosons de Higgs.

Il existe bien entendu de nombreux autres schémas mais ils sont en général moins économiques que celui du modèle standard parce qu’ils présupposent la mise en œuvre de nombreux acteurs intermédiaires. Quoiqu’il en soit réellement, les futures expérimentations serviront d’arbitres pour départager les différentes propositions théoriques encore en lisse dans la course à l’explication des mécanismes les plus intimes de la nature.

Si, au sein du modèle standard, la désintégration H ® b est bien la plus probable, et donc a priori celle qui devrait être la plus couramment observée, il n’en est en réalité rien. Ceci tient au fait que pour chaque collision p-p donnant un boson de Higgs, environ dix millions de paires de quarks sont produites. Le boson devient ainsi pratiquement non-observable en l’état actuel de nos systèmes de détection. Cette difficulté a justifié que les premières expérimentations (celles d’ailleurs ayant permis la découverte du Higgs) ont concerné des voies de désintégration théoriquement plus rares ; par exemple les voies : H ® 2 photons ou H ® 2Z ® 4 fermions. Si ces premières tentatives ont bien permis de confirmer l’existence du boson de Higgs, elles n’ont cependant pas permis de prouver un élément central du modèle standard : le couplage direct entre ces bosons et les fermions.

Le doute a été levé en juin 2018 grâce à l’observation directe d’un couplage entre la production de Higgs et celle de quarks-top ainsi que des désintégrations de ces bosons de Higgs en pairs de leptons-tau. La confirmation récente de l’existence de la voie de désintégration la plus probable n’a été rendue possible que grâce à l’utilisation d’une stratégie consistant à focaliser les observations sur les voies de désintégration du Higgs réduisant considérablement le bruit de fond ; in extenso : sur le mécanisme (dit VH) produisant les paires p + p   H + W ou p + p ® H + Z.

Les études préliminaires destinées à repérer ces productions de type VH ont été conduites au Tevatron (Fermilab) bien avant la découverte du boson de Higgs, entre 2010 et 2012. Les évènements de type VH sont identifiés via leurs produits de désintégration ; la spécificité de ceux-ci suffit à signer leur présence : W ® lepton + neutrino ; Z ® 2 neutrinos ou Z ® 2 leptons chargés.

Ces résultats récents confirment la validité du modèle standard avec une incertitude de l’ordre de 20%. Pour autant les vérifications nécessaires à le valider à un plus fort niveau de fiabilité ne sont pas encore faites puisque nous ne connaissons actuellement presque rien des interactions entre le Higgs et les fermions les plus légers. Les futures expérimentations qui seront conduites au LHC avec des luminosités plus fortes permettront d’observer des voies rares de désintégration du boson de Higgs, apporteront un éclairage sur cette zone inexplorée du modèle standard et permettront peut-être de le mettre en concurrence avec des modèles alternatifs.

Bibliographie suggérée :

[01] P. W. Higgs, ‘‘Broken symmetries, massless particles and gauge elds,’’ Phys. Lett. 12, 132 (1964); P. W. Higgs, ‘‘Broken symmetries and the masses of gauge bosons,’’ Phys. Rev. Lett.13, 508 (1964); P. W. Higgs, ‘‘Spontaneous symmetry breakdown without massless bosons,’’ Phys. Rev. 145, 1156 (1966).

[02] F. Englert and R. Brout, ‘‘Broken symmetry and the mass of gauge vector mesons,’’ Phys. Rev. Lett. 13, 321 (1964); G. S. Guralnik, C. R. Hagen, and T. W. B. Kibble, ‘‘Global conservation laws and massless particles,’’ Phys. Rev. Lett. 13, 585 (1964); T. W. B. Kibble, ‘‘Symmetry breaking in non-abelian gauge theories,’’ Phys. Rev. 155, 1554 (1967).

[03] A. M. Sirunyan et al.: “Observation of Higgs bosons decay to bottom quarks”, Phys. Rev. Lett.121, 801 (2018), DOI: 10.1103/PhysRevLett.121.121801; published 17 September 2018 by the American Physical Society under the terms of the Creative Commons Attribution 4.0 International license. Further distribution of this work must maintain attribution to the author(s) and the published article’s title, journal citation, and DOI. Funded by SCOAP3, © 2018 CERN, for the CMS Collaboration.

[04] S. Weinberg, ‘‘A model of leptons,’’ Phys. Rev. Lett. 19, 1264 (1967); A. Salam, ‘‘Weak and Electromagnetic Interactions,’’ in Elementary Particle Physics, Proceedings of the Eighth Nobel Symposium, edited by N. Svartholm (Almqvist and Wiksell, Stockholm, 1968), p. 367.