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Depuis la découverte du boson de Higgs il y a dix ans, les collaborations ATLAS et CMS auprès du Grand collisionneur de hadrons (LHC) travaillent d’arrache-pied pour percer les mystères de cette particule si particulière. Ils ont notamment étudié en détail la manière dont le boson de Higgs interagit avec les particules fondamentales, comme celles qui composent la matière, à savoir les quarks et les leptons. Dans le Modèle standard de la physique des particules, ces particules de matière sont réparties en trois catégories, ou « générations », de masse croissante. Leur intensité d’interaction avec le boson de Higgs est proportionnelle à leur masse. Tout écart par rapport à ce comportement indiquerait clairement la présence d’un nouveau phénomène.
Les expériences ATLAS et CMS ont déjà observé les interactions du boson de Higgs avec les quarks et les leptons les plus lourds, c’est-à-dire ceux de troisième génération ; ces observations concordent avec les prédictions du Modèle standard selon la précision de mesure actuelle. ATLAS et CMS ont également obtenu les premiers indices de l’interaction du boson de Higgs avec un muon (lepton de deuxième génération). Toutefois, les deux expériences n’ont pas encore observé son interaction avec des quarks de deuxième génération. Dans deux publications récentes, ATLAS et CMS ont fait état de nouvelles analyses qui ont permis d’évaluer plus précisément l’intensité de l’interaction du boson de Higgs avec un quark c (quark de deuxième génération).
ATLAS et CMS étudient les interactions du boson de Higgs en analysant la manière dont il se désintègre en particules plus légères ou bien la manière dont il est produit avec d’autres particules. Lors de leurs dernières études, s’appuyant sur les données issues de la deuxième exploitation du LHC, les deux équipes ont recherché la désintégration du boson de Higgs en un quark c et son équivalent dans l’antimatière, l’antiquark c.
Dans le Modèle standard, cette désintégration est relativement rare, puisqu’elle survient uniquement dans 3 % des cas. De surcroît, la désintégration est extrêmement difficile à repérer dans la mesure où les deux gerbes (ou « jets ») de particules qu’elle génère peuvent également être produites par d’autres processus avec une fréquence bien plus élevée. Afin de faciliter l’identification de cette désintégration, les expériences ATLAS et CMS ont concentré leurs recherches sur les bosons de Higgs produits avec un boson W ou un boson Z se désintégrant en électrons, en muons (dans le cas du W ou du Z) ou en neutrinos (dans le cas du Z). Les équipes ont eu recours à des techniques complexes d’apprentissage automatique pour identifier les jets provenant des quarks c. L’expérience CMS a également recherché des bosons de Higgs d’impulsion élevée (« boostés ») produisant deux jets de quarks c se rejoignant en un seul jet plus large.
Les équipes n’ont décelé dans les données aucun signe significatif de la désintégration du boson de Higgs en quarks c. Cependant, leurs analyses ont fixé des limites à la fréquence à laquelle cette désintégration doit survenir lorsqu’un boson de Higgs est produit en même temps qu’un boson W et un boson Z. Ces limites correspondent aux limites supérieures de l’intensité d’interaction du boson de Higgs avec un quark c, soit, respectivement, 8,5 et 5,5 fois la prédiction du Modèle standard dans le cas des expériences ATLAS et CMS.
L’équipe d’ATLAS a ensuite combiné son analyse avec une mesure de la désintégration du boson de Higgs en quarks b. Elle a ainsi démontré que le boson de Higgs interagit plus faiblement avec le quark c qu’avec le quark b. En d’autres termes, l’équipe a constaté que le boson de Higgs interagit différemment avec les quarks de deuxième et troisième générations, comme prédit par le Modèle standard.
Il est intéressant de noter que l’analyse de CMS a permis d’observer, pour la première fois dans un collisionneur de hadrons, la désintégration du boson Z en quarks c. Cette observation supplémentaire résulte d’une étape de validation dans sa recherche concernant la désintégration du boson de Higgs en quarks c.
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