Des physiciens théoriciens découvrent que le boson de Higgs ne semble contenir aucun signe avant-coureur d’une nouvelle physique

Le boson de Higgs a été découvert dans les détecteurs du Grand collisionneur de hadrons il y a une dizaine d’années. Il s’est avéré être une particule si difficile à produire et à observer que, malgré le temps qui passe, ses propriétés ne sont toujours pas connues avec une précision satisfaisante. Nous en savons désormais un peu plus sur son origine, grâce à la découverte récemment publiée d’un groupe international de physiciens théoriciens avec la participation de l’Institut de physique nucléaire de l’Académie polonaise des sciences.

La recherche est publiée dans la revue Lettres d’examen physique.

Le monde scientifique est unanime pour affirmer que la plus grande découverte réalisée grâce au Grand collisionneur de hadrons (LHC) est le célèbre boson de Higgs. Depuis douze ans, les physiciens tentent d’en savoir le plus précisément possible sur les propriétés de cette particule élémentaire très importante. La tâche est extrêmement difficile en raison des défis expérimentaux et des nombreux obstacles informatiques.

Heureusement, des progrès significatifs viennent d’être réalisés dans la recherche théorique, grâce à un groupe de physiciens de l’Institut de physique nucléaire de l’Académie polonaise des sciences (IFJ PAN) à Cracovie, de l’Université RWTH d’Aix-la-Chapelle (RWTH) à Aix-la-Chapelle et du Max-Planck-Institut für Physik (MPI) à Garching près de Munich.

Le Modèle Standard est une structure théorique complexe construite dans les années 1970 pour décrire de manière cohérente les particules élémentaires de matière actuellement connues (les quarks, ainsi que les électrons, les muons, le tau et la trinité associée des neutrinos) et les forces électromagnétiques (photons) et nucléaires (gluons dans le cas des interactions fortes, bosons W et Z dans le cas des interactions faibles).

La cerise sur le gâteau de la création du Modèle standard a été la découverte, grâce au LHC, du boson de Higgs, une particule qui joue un rôle clé dans le mécanisme responsable de la attribution des masses aux autres particules élémentaires. La découverte du boson de Higgs a été annoncée à la mi-2012. Depuis, les scientifiques tentent d’obtenir le plus d’informations possible sur cette particule d’une importance fondamentale.

« Pour un physicien, l’un des paramètres les plus importants associés à toute particule élémentaire ou nucléaire est la section efficace pour une collision spécifique. En effet, elle nous renseigne sur la fréquence à laquelle nous pouvons nous attendre à ce que la particule apparaisse dans des collisions d’un certain type. Nous nous sommes concentrés sur la détermination théorique de la section efficace du boson de Higgs dans les collisions gluon-gluon. Elles sont responsables de la production d’environ 90 % du Higgs, dont des traces de présence ont été enregistrées dans les détecteurs de l’accélérateur LHC », explique le Dr René Poncelet (IFJ PAN).

Le professeur Michal Czakon (RWTH), co-auteur de l’article, ajoute : « L’essence de notre travail était la volonté de prendre en compte, lors de la détermination de la section efficace active pour la production de bosons de Higgs, certaines corrections qui, en raison de leur contribution apparemment faible, sont généralement négligées, car les ignorer simplifie considérablement les calculs. C’est la première fois que nous réussissons à surmonter les difficultés mathématiques et à déterminer ces corrections. »

L’importance du rôle des corrections d’ordre supérieur pour la compréhension des propriétés des bosons de Higgs peut être démontrée par le fait que les corrections secondaires calculées dans l’article, apparemment faibles, contribuent à près d’un cinquième de la valeur de la section efficace active recherchée. Ceci est à comparer aux corrections de troisième ordre de 3 % (mais qui réduisent les incertitudes de calcul à seulement 1 %).

Une nouveauté de ce travail a été de prendre en compte l’effet des masses des quarks bottom, ce qui a conduit à un léger mais notable décalage d’environ 1%. Il convient de rappeler ici que le LHC fait entrer en collision des protons, c’est-à-dire des particules constituées de deux quarks up et d’un quark down. La présence temporaire de quarks de plus grande masse à l’intérieur des protons, comme le quark beauté, est une conséquence de la nature quantique des interactions fortes qui lient les quarks dans le proton.

« Les valeurs de la section efficace active de production du boson de Higgs trouvées par notre groupe et mesurées lors des précédentes collisions de faisceaux au LHC sont pratiquement les mêmes, compte tenu bien sûr des imprécisions actuelles de calcul et de mesure. Il semble donc qu’aucun signe avant-coureur d’une nouvelle physique ne soit visible dans les mécanismes responsables de la formation du boson de Higgs que nous étudions, du moins pour le moment », résume le Dr Poncelet.

La croyance répandue parmi les scientifiques quant à la nécessité d’une nouvelle physique vient du fait que le modèle standard ne permet pas de répondre à un certain nombre de questions fondamentales. Pourquoi les particules élémentaires ont-elles une telle masse ? Pourquoi forment-elles des familles ? De quoi est composée la matière noire, dont on voit si clairement les traces dans le cosmos ? Quelle est la raison de la prédominance de la matière sur l’antimatière dans l’univers ? Le modèle standard doit également être étendu car il ne prend pas du tout en compte la gravité, une interaction si courante.

Il est important de noter que les dernières avancées des physiciens théoriciens de l’IFJ PAN, du RWTH et du MPI n’excluent pas définitivement la présence d’une nouvelle physique dans les phénomènes accompagnant la naissance du boson de Higgs. Beaucoup de choses pourraient changer lorsque les données du quatrième cycle de recherche du Grand collisionneur de hadrons, qui démarre progressivement, commenceront à être analysées.

Le nombre croissant d’observations de nouvelles collisions de particules pourrait permettre de réduire les incertitudes de mesure de telle sorte que la plage mesurée des sections efficaces admissibles pour la production de Higgs ne corresponde plus à celle définie par la théorie. Les physiciens le sauront dans quelques années.

Pour l’instant, le modèle standard peut sembler plus sûr que jamais – et ce fait commence lentement à devenir la découverte la plus surprenante faite avec le LHC.