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Aujourd’hui, dix ans exactement après l'annonce de la découverte du boson de Higgs, les collaborations internationales ATLAS et CMS auprès du Grand collisionneur de hadrons (LHC) communiquent les résultats de leurs travaux de recherche, les plus complets jamais réalisés sur les propriétés de cette particule unique en son genre. Décrites dans deux articles publiés aujourd'hui dans la revue Nature, ces deux études indépendantes montrent que les propriétés de la particule présentent une très bonne concordance avec les prédictions du Modèle standard de la physique des particules. Elles montrent également que la particule devient progressivement un outil puissant pour rechercher des phénomènes inconnus, lesquels, pour autant qu’on arrive à les découvrir, pourraient contribuer à percer certains parmi les plus grands mystères de la physique, tels que la nature de la mystérieuse matière noire, présente dans tout l'Univers.
Le boson de Higgs est la manifestation, sous la forme d’une particule, d'un champ quantique omniprésent, appelé « champ de Higgs », qui est un élément essentiel dans la description de l'Univers tel que nous le connaissons. Sans ce champ, des particules élémentaires telles que les quarks, qui constituent les protons et les neutrons du noyau atomique, ainsi que les électrons qui l'entourent, n'auraient aucune masse, tout comme les particules lourdes (bosons W), porteuses de l'interaction faible chargée qui déclenche les réactions nucléaires alimentant le Soleil.
Afin d'explorer tout le potentiel des données du LHC pour l’étude du boson de Higgs, et notamment de ses interactions avec d'autres particules, ATLAS et CMS combinent les analyses de nombreux processus complémentaires dans lesquels sont produits des bosons de Higgs qui se désintègrent en d'autres particules.
C'est ce qu'ont fait les collaborations dans leurs nouvelles études menées indépendamment l’une de l’autre, en utilisant l'intégralité de leurs données de la deuxième période d'exploitation du LHC, chaque ensemble de données comprenant plus de 10 000 millions de millions de collisions proton-proton et environ 8 millions de bosons de Higgs, soit 30 fois plus qu'à l'époque de la découverte de la particule. Chacune de ces nouvelles études combine un nombre et une variété sans précédent de processus de production et de désintégration de bosons de Higgs afin d'obtenir un ensemble de mesures d'un niveau de détail et de précision inédit à ce jour de leurs taux, ainsi que de l’intensité des interactions du boson de Higgs avec d’autres particules.
Toutes ces mesures présentent une très bonne concordance avec le Modèle standard dans une gamme d'incertitudes qui dépend de la fréquence d'un processus donné. S’agissant de l’intensité de l'interaction du boson de Higgs avec les particules porteuses de l'interaction faible, on atteint une incertitude de 6 %. À titre de comparaison, dans des analyses similaires réalisées avec la totalité des données de la première période d'exploitation, on avait pour cette même force d'interaction une incertitude de 15 %.
« Dix ans à peine après la découverte du boson de Higgs au LHC, les expériences ATLAS et CMS ont fourni une carte détaillée de ses interactions avec les particules porteuses de force et avec les particules de matière », se réjouit le porte-parole d'ATLAS, Andreas Hoecker. Le secteur du Higgs est en rapport direct avec des questions fondamentales portant sur l'évolution de l'Univers primordial et sa stabilité, ainsi qu'avec l'étonnante structure des masses pour les particules de matière. La découverte du boson de Higgs a contribué à lancer des travaux de recherche passionnants et de grande portée qui se poursuivront tout au long du programme du LHC. »
« Dresser un tel portrait du boson de Higgs si rapidement était impensable avant la mise en route du LHC », souligne le porte-parole de CMS, Luca Malgeri. Les raisons de cette réussite sont multiples, il y a la performance exceptionnelle du LHC et des détecteurs ATLAS et CMS, et aussi les techniques ingénieuses utilisées pour analyser les données. »
Les nouvelles analyses combinées fournissent, entre autres résultats nouveaux, des limites strictes concernant l'interaction du boson de Higgs avec lui-même, ainsi que des limites sur des phénomènes inconnus se situant au-delà du Modèle standard, tels que la désintégration du boson de Higgs en des particules invisibles qui pourraient constituer la matière noire.
Les collaborations ATLAS et CMS continueront d'étudier la nature du boson de Higgs grâce aux données obtenues lors de la troisième période d'exploitation du LHC, qui commence demain à une nouvelle frontière des hautes énergies, puis, à partir de 2029, du LHC amélioré – le LHC à haute luminosité (HL-LHC). Sachant qu’on prévoit la production de 18 millions de bosons de Higgs dans chaque expérience durant la troisième période d'exploitation du LHC, et de quelque 180 millions lors de l'exploitation du HL-LHC, les collaborations espèrent réduire sensiblement les incertitudes des mesures des interactions du boson de Higgs, mais aussi observer certaines des interactions de ce dernier avec des particules de matière plus légères afin d'obtenir les premiers indices significatifs de l'interaction du boson avec lui-même.