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Tester les symétries fondamentales de la nature grâce au boson de Higgs

La collaboration ATLAS a mis à l'épreuve les interactions entre le boson de Higgs et les porteurs de la force faible, à la recherche de signes d'une violation de la symétrie charge-parité

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Event display of a Higgs boson candidate decaying into two Z bosons

À ATLAS, événement candidat à la désintégration d’un boson de Higgs en deux bosons Z, l'un se désintégrant en deux muons de charge opposée (en rouge), l'autre en deux électrons de charge opposée (traces vertes menant à des dépôts d'énergie, en jaune). (Image : ATLAS/CERN)

Mais où est donc passée toute l'antimatière ? Lors du Big Bang, matière et antimatière ont dû être produites en quantités égales. La raison pour laquelle nous vivons dans un Univers fait presque exclusivement de matière, avec très peu d'antimatière, reste un mystère. L'excédent de matière pourrait s'expliquer par la violation de la symétrie charge-parité (CP), certains processus mettant en jeu des particules se comportant alors différemment de ceux mettant en jeu leurs antiparticules.

Toutefois, les violations de CP observées à ce jour ne suffisent pas à expliquer l'asymétrie matière-antimatière dans l'Univers. Il doit donc exister d’autres sources de violation de CP, qui pourraient se cacher dans les interactions mettant en jeu le boson de Higgs. Dans le Modèle standard de la physique des particules, la symétrie CP est conservée dans les interactions entre le boson de Higgs et d'autres particules. Si les scientifiques venaient à trouver des signes d'une violation de CP dans ces interactions, cela pourrait nous mettre sur la voie pour résoudre l'une des énigmes les plus anciennes de l'Univers.

Dans une nouvelle analyse de l'ensemble de ses données issues de la deuxième période d'exploitation du LHC, la collaboration ATLAS a mis à l'épreuve les interactions entre le boson de Higgs et les porteurs de la force faible, les bosons W et Z, à la recherche de signes d'une violation de CP. La collaboration a étudié les désintégrations du boson de Higgs en deux bosons Z, chacun se transformant en une paire de leptons (un électron et un positon ou un muon et un antimuon), ce qui donne quatre leptons chargés. Les scientifiques ont également étudié les interactions dans lesquelles deux bosons W ou Z s'unissent pour produire un boson de Higgs. Dans ce cas, un quark et un antiquark sont produits avec le boson de Higgs, ce qui crée des jets de particules dans le détecteur ATLAS.

Ces interactions sont un banc de test idéal de la violation de CP. Si la symétrie CP est conservée, le comportement des jets et des leptons détectés devrait être le même, qu’il s’agisse de particules ou d’antiparticules, et quel que soit leurs sens de déplacement. S’il y a violation de CP, les particules et leurs antiparticules se comporteront différemment.

Toutes les informations sur les particules détectées dans ces processus se résument en une valeur : l'observable optimale. Cette observable a pour particularité que la valeur mesurée pour les antiparticules doit être égale, mais de signe opposé, à celle mesurée pour les particules. En cas de conservation de la symétrie CP dans un processus, la valeur moyenne de l'observable optimale dans les données devrait être égale à zéro. En cas de violation de CP, la valeur moyenne ne sera plus nulle.

Dans sa nouvelle analyse, ATLAS a utilisé les valeurs observées de l'observable optimale pour fixer directement des limites à la quantité possible de violation de CP. Les scientifiques ont également mesuré le nombre de fois où chaque valeur de l'observable optimale se retrouve dans les données, après correction des effets expérimentaux. Cette mesure a permis à ATLAS de comparer les données avec les prédictions de la théorie, indépendamment du modèle, et de tester la validité des hypothèses théoriques sous-jacentes. C'est la première fois qu'une mesure de la désintégration d'un boson de Higgs en quatre leptons permet aux physiciens de détecter des signes potentiels de violation de CP indépendamment du modèle, sans dépendre fortement d'éléments de la prédiction du Modèle standard autres que la symétrie CP.

Tous les résultats semblent compatibles avec les attentes du Modèle standard, ce qui constitue une nouvelle confirmation importante de la théorie en vigueur. Il ne s'agit toutefois que d'un début. Des signaux de faible intensité d’une violation de CP restent compatibles avec les données, et ATLAS recueille déjà de nouvelles données issues de collisions à des énergies sans précédent, qui permettront d'accroître la précision de ces mesures et de mieux cerner la nature du boson de Higgs.

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Pour en savoir plus, voir le site web de l’expérience ATLAS (en anglais).