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  • Mesurer la durée de vie du Boson de Higgs

    Posté le 27 juin 2014

    Boson_de_Higgs-Evenement

    Une fois produit, le Boson de Higgs se désintègre en un trilliardième de seconde (1/1021 de seconde)*

    *Exprimé dans l’échelle courte (pays anglo-saxons), 1021 est appelé “sextillion” mais dans l’échelle longue (Europe) ce nombre est appelé “trilliard”.

    Bien qu’extrêmement courte, la durée de vie du Boson de Higgs pourrait mener les scientifiques à la prochaine découverte majeure du LHC: si elle n’était pas en accord avec les prédictions théoriques du Modèle Standard, cela serait un signe qu’il existe d’autres particules ou forces. C’est pour cela qu’ils essayent de mesurer cette durée de vie avec le plus de précision possible.

    Certaines particules, comme les électrons et les protons, sont extrêmement stables et restent inchangées pendant des milliards d’années ou plus. Mais des particules beaucoup plus massives (comme les muons, les quarks top et le Boson de Higgs) sont instables et se désintègrent rapidement en des particules plus stables rapidement après avoir été produites.

    En calculant la durée de vie moyenne de ces particules instables, les scientifiques peuvent beaucoup mieux comprendre leurs propriétés et le rôle qu’elles jouent dans notre compréhension globale de la physique. Mais mesurer directement la durée de vie d’une particule fondamentale est extrêmement difficile car il s’agit de durées de vie tellement courtes qu’elles sont même imperceptibles par les meilleurs accélérateurs de particules. Par exemple, même si le Boson de Higgs se déplace à une vitesse proche de celle de la lumière, il n’a le temps de parcourir qu’une distance inférieure à celle de la longueur d’un atome avant de se désintégrer en d’autres particules.

    C’est pour cette raison que les scientifiques scrutent une propriété fondamentale appelée “largeur”, une mesure de la variation de la masse de la particule. “Lorsque le Higgs est produit, il est quelquefois produit à exactement 125 GeV mais d’autres fois il est produit avec une masse légèrement supérieure ou inférieure” explique John Campbell (théoricien du Fermilab). “C’est dû à une incertitude de la mécanique quantique dans sa masse, que nous appelons ‘largeur’. Plus la largeur est faible, plus la durée de vie est longue”.

    A l’origine, les scientifiques ont mesuré la largeur du Boson de Higgs directement en reconstruisant plusieurs Bosons de Higgs à partir de leurs produits de désintégration bien connus pour ensuite cartographier leurs masses. Mais en raison de la résolution limitée du détecteur, leurs mesures contraignaient seulement la largeur du Boson de Higgs dans un facteur de 1000 de la valeur prédite par le Modèle Standard.

    Pour cette dernière mesure, les scientifiques de l’expérience CMS du LHC ont utilisé une astuce très ingénieuse, développée par les théoriciens pour déterminer la largeur du Boson de Higgs, basée non sur ce qu’ils ont vu dans leurs mesures mais par ce qu’ils n’ont pas vu.

    “Si le Boson de Higgs avait une grande largeur nous verrions régulièrement sa masse fluctuer au-dessus de 200 GeV” explique le physicien Andrei Gritsan (CMS), professeur à la Johns Hopkins University. Mais parce que nous n’avons pas vu ceci se produire souvent, nous savons que c’est un processus beaucoup plus rare et nous pouvons donc restreindre la taille maximale de la largeur”.

    Cette nouvelle mesure est dans un facteur de 6 de la valeur de la largeur prédite par le Modèle Standard, ce qui est une énorme amélioration comparée aux précédentes mesures. Cependant, Andrei Gritsan explique que plus de recherche est nécessaire: “Cela n’est peut-être pas la manière la plus propre de mesurer la largeur du Boson de Higgs parce que nous faisons encore l’hypothèse qu’il n’y a pas de nouvelles particules non observées qui pourraient affecter la production du Boson de Higgs via des effets quantiques”. “Nous devons attaquer le problème à partir de plusieurs directions”.

    Le redémarrage du LHC fournira énormément de nouvelles données qui permettront aux physiciens de chercher de nouvelles particules et de sonder encore plus profondément les propriétés fondamentales du Boson de Higgs. Cette nouvelle technique pourra être testée sur un grand nombre de mesures différentes.

    “C’est le début d’un nouveau domaine de recherche où les gens réalisent la puissance de cette technique comme une manière de mesurer et de contraindre les propriétés de la particule de Higgs”, explique John Campbell. “Nous bénéficions de plus de données mais nous avons encore plus de bénéfices provenant de nouvelles idées”.

    Source : Symmetry Magazine

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