Le grand collisionneur de hadrons ATLAS et les collaborations CMS à la poursuite de l’invisible avec le boson de Higgs

Affichages d’événements candidats d’un boson de Higgs produit par fusion vecteur-boson et se désintégrant en particules invisibles. Crédit : CERN

Les collaborations ont établi de nouvelles limites strictes sur la fraction des bosons de Higgs se transformant en particules invisibles.

Le boson de Higgs vit très peu de temps avant de se transformer, ou de « se désintégrer », en d’autres particules. C’est grâce à la détection de certains de ces produits de désintégration que la particule unique a été – et continue d’être – repérée pour la première fois lors de collisions de particules au Grand collisionneur de hadrons (LHC).

Mais que se passerait-il si le boson de Higgs se désintégrait également en de nouvelles particules inattendues, invisibles pour les détecteurs du LHC, telles que les particules qui pourraient constituer la matière noire imprégnant l’univers ? Les collaborations ATLAS et CMS au LHC ont exploré cette possibilité dans deux études récentes, fixant de nouvelles limites supérieures strictes sur la fraction des bosons de Higgs se désintégrant en particules invisibles.

Selon le modèle standard de la physique des particules, le boson de Higgs se désintègre indirectement en particules invisibles connues – des particules presque sans masse appelées neutrinos – seulement 0,1 % du temps. Cependant, si la matière noire est constituée de particules interagissant trop faiblement pour être détectées, comme le soupçonnent de nombreux physiciens, la particule de matière noire pourrait interagir avec le boson de Higgs et, si elle n’est pas trop massive, permettre au boson de Higgs de se désintégrer. augmentant la fraction des désintégrations invisibles du boson de Higgs.

Dans leurs dernières enquêtes indépendantes, les collaborations ATLAS et CMS ont recherché des désintégrations invisibles du boson de Higgs dans les données de collision proton-proton recueillies lors de la deuxième période d’exploitation du LHC. Les deux équipes ont recherché un type particulier d’événement de collision, dans lequel un boson de Higgs est produit par un processus connu sous le nom de fusion vecteur-boson, puis se désintègre en particules invisibles.

Ces événements de fusion de bosons vectoriels contiennent des pulvérisations supplémentaires, ou « jets », de particules émises vers l’une ou l’autre extrémité des détecteurs de particules, ce qui rend ce mode de production de bosons de Higgs plus facile à repérer que les autres modes. Avec « l’énergie manquante » dans les produits de collision que les particules invisibles emporteraient, ces jets et leurs propriétés fournissent des signatures distinctives de ces événements invisibles du boson de Higgs.

Les recherches ATLAS et CMS n’ont révélé aucun cas de ces événements invisibles du boson de Higgs qui dépasserait le nombre prévu d’événements de fond imitant les événements souhaités. Cependant, ils ont montré que le boson de Higgs ne peut pas se désintégrer en particules invisibles plus souvent qu’un certain pourcentage de temps : 15 % pour ATLAS et 18 % pour CMS, contre un pourcentage attendu, basé sur des simulations informatiques du modèle standard, de 10 % pour les deux. ATLAS et CMS.

Ces limites s’alignent bien les unes sur les autres et, lorsqu’elles sont interprétées dans le contexte des modèles de matière noire, elles se traduisent par des limites sur la force d’interaction des particules de matière noire avec les noyaux atomiques qui complètent celles obtenues à partir d’expériences sans collisionneur à la recherche de matière noire.

Alors que le LHC devrait redémarrer plus tard cette année et fournir davantage de données, ATLAS et CMS continueront sans aucun doute à chasser l’invisible avec le boson de Higgs.

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