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Pour que le monde tourne rond, il faut de la symétrie… mais aussi de l’asymétrie ! L’asymétrie charge-parité (CP) illustre bien cette idée, car elle permet d’expliquer pourquoi la matière est présente en quantité beaucoup plus importante que l’antimatière dans notre Univers, alors que ces deux formes de matière auraient dû être créées en quantités égales lors du Big Bang.
Le Modèle standard de la physique des particules – théorie qui décrit le mieux les constituants fondamentaux de la matière et leurs interactions – inclut des sources d’asymétrie CP, dont certaines ont été confirmées par des expériences. Toutefois, la quantité d’asymétrie CP présente dans le Modèle standard de la physique des particules ne suffit pas à expliquer le déséquilibre matière-antimatière dans l’Univers, ce qui pousse les scientifiques à rechercher d’autres sources d’asymétrie CP.
Dans le cadre de recherches indépendantes menées récemment, les collaborations internationales ATLAS et CMS au Grand collisionneur de hadrons (LHC) ont étudié le boson de Higgs, découvert il y a dix ans, pour tenter de savoir si cette particule unique en son genre renferme une source cachée d’asymétrie CP.
Les équipes d’ATLAS et de CMS avaient déjà recherché, sans succès, des signes d’asymétrie CP dans des interactions du boson de Higgs avec d’autres bosons, ainsi qu’avec la particule élémentaire la plus lourde connue à ce jour : le quark top. Cette fois, ATLAS et CMS ont recherché cette asymétrie dans l’interaction entre le boson de Higgs et le lepton tau, une version plus lourde de l’électron.
Pour trouver cette asymétrie, ATLAS et CMS ont commencé par rechercher des bosons de Higgs se désintégrant en paires de leptons tau dans des données issues de collisions proton-proton enregistrées par les expériences pendant la deuxième période d’exploitation du LHC (2015–2018). Les équipes ont ensuite analysé le mouvement – aussi appelé « cinématique » – de la désintégration, qui dépend d’un angle, connu sous le nom d’angle de mélange. Cet angle quantifie la quantité d’asymétrie CP dans l’interaction entre le boson de Higgs et le lepton tau.
Dans le Modèle standard, l’angle de mélange est égal à zéro ; l’interaction respecte donc la symétrie CP, ce qui veut dire qu’elle reste identique lors d’une transformation où une particule est échangée avec l’image miroir de son antiparticule. Selon des théories proposant des extensions du Modèle standard, cet angle peut toutefois s’éloigner de zéro et l’interaction peut présenter une asymétrie CP partielle ou complète, en fonction de l’angle ; un angle de -90 ou +90 degrés correspond à une interaction avec une asymétrie CP complète, alors que tous les angles situés entre ces deux extrêmes, à l’exception d’un angle de 0 degré, correspondent à une interaction avec une asymétrie CP partielle.
Après avoir analysé leurs échantillons de désintégrations de bosons de Higgs en leptons tau, l’équipe d’ATLAS a obtenu un angle de mélange de 9 ± 16 degrés et l’équipe de CMS un angle de −1 ± 19 degrés, ces deux résultats excluant une asymétrie CP complète dans l’interaction entre le boson de Higgs et le lepton tau avec une signification statistique d’environ trois écarts-types.
Ces résultats concordent avec le Modèle standard pour la précision de mesure actuelle. De nouvelles données permettront aux chercheurs, soit de confirmer cette conclusion, soit de détecter une asymétrie CP dans l’interaction entre le boson de Higgs et le lepton tau, ce qui aurait des répercussions importantes sur notre compréhension de l’histoire de l’Univers.
La troisième période d’exploitation du LHC étant lancée, les collaborations ATLAS et CMS n’auront pas à attendre très longtemps avant de pouvoir analyser de nouvelles données et de découvrir si le boson de Higgs renferme une nouvelle source de asymétrie CP.