Boson de Higgs : notre passeport pour la vallée cachée de la nouvelle physique dans Next

Par Institute of Nuclear Physics PAN23 mai 2023

Des scientifiques de l'Institut de physique nucléaire de l'Académie polonaise des sciences proposent que le boson de Higgs puisse interagir avec la "nouvelle physique" via la désintégration en particules exotiques, selon les modèles de la "vallée cachée". Ces modèles suggèrent que les futurs accélérateurs de particules pourraient observer cette désintégration exotique, ouvrant potentiellement la voie à la compréhension d'une nouvelle physique au-delà de notre modèle standard actuel.

Il se peut que le fameux boson de Higgs, co-responsable de l'existence de masses de particules élémentaires, interagisse également avec le monde de la nouvelle physique recherché depuis des décennies. Si tel devait effectivement être le cas, le Higgs devrait se désintégrer de manière caractéristique, impliquant des particules exotiques. À l'Institut de physique nucléaire de l'Académie polonaise des sciences de Cracovie, il a été démontré que si de telles désintégrations se produisaient effectivement, elles seraient observables dans les successeurs du LHC en cours de conception.

Quand on parle de la « vallée cachée », nos premières pensées vont aux dragons plutôt qu'à la science. Or, en physique des hautes énergies, ce nom pittoresque est donné à certains modèles qui étendent l'ensemble des particules élémentaires actuellement connues. Dans ces modèles dits de la vallée cachée, les particules de notre monde telles que décrites par le modèle standard appartiennent au groupe des basses énergies, tandis que les particules exotiques sont cachées dans la région des hautes énergies. Des considérations théoriques suggèrent alors la désintégration exotique du fameux boson de Higgs, quelque chose qui n'a pas été observé à l'accélérateur LHC malgré de nombreuses années de recherche. Cependant, les scientifiques de l'Institut de physique nucléaire de l'Académie polonaise des sciences (IFJ PAN) à Cracovie soutiennent que la désintégration de Higgs en particules exotiques devrait déjà être parfaitement observable dans les accélérateurs qui succèdent au Grand collisionneur de hadrons - si les modèles de la vallée cachée tournent être conforme à la réalité.

"Dans les modèles de Hidden Valley, nous avons deux groupes de particules séparées par une barrière d'énergie. La théorie est qu'il pourrait alors y avoir des particules massives exotiques qui pourraient traverser cette barrière dans des circonstances spécifiques. Les particules comme le boson de Higgs ou le boson hypothétique Z' agiraient comme entre les particules des deux mondes. Le boson de Higgs, l'une des particules les plus massives du modèle standard, est un très bon candidat pour un tel communicateur », explique le professeur Marcin Kucharczyk (IFJ PAN), auteur principal d'un article dans le Journal of High Energy Physics, qui présente les dernières analyses et simulations concernant la possibilité de détecter les désintégrations du boson de Higgs dans les futurs accélérateurs de leptons.

Le communicateur, après être passé dans la région de basse énergie, se désintégrerait en deux particules exotiques plutôt massives. Chacune de celles-ci se désintégrerait en quelques picosecondes - c'est-à-dire des billionièmes de seconde - en deux autres particules, avec des masses encore plus petites, qui seraient alors dans le modèle standard. Alors quels signes attendraient-ils dans les détecteurs des futurs accélérateurs ? Le Higgs lui-même resterait inaperçu, tout comme les deux particules de Hidden Valley. Cependant, les particules exotiques divergeraient progressivement et finiraient par se désintégrer, généralement en paires de beauté quark-antiquark visibles dans les détecteurs modernes lorsque les jets de particules se déplaçaient de l'axe du faisceau de leptons.

La recherche de désintégrations exotiques du boson de Higgs dans les futurs collisionneurs de leptons : 1) un électron et un positon provenant de faisceaux opposés entrent en collision ; 2) la collision produit un boson de Higgs de haute énergie ; 3) le boson se désintègre en deux particules exotiques s'éloignant de l'axe des faisceaux ; 4) les particules exotiques se désintègrent en paires de quark-antiquark, visibles par les détecteurs. Crédit : FIJ PAN

"Les observations des désintégrations du boson de Higgs consisteraient donc à rechercher les jets de particules produits par des paires quark-antiquark. Il faudrait alors reconstruire rétrospectivement leurs trajectoires pour trouver les endroits où des particules exotiques sont susceptibles de s'être désintégrées. Ces endroits, appelés professionnellement les sommets de désintégration, devraient apparaître par paires et être décalés de manière caractéristique par rapport à l'axe des faisceaux en collision dans l'accélérateur. La taille de ces décalages dépend, entre autres, des masses et de la durée de vie moyenne des particules exotiques apparaissant pendant la désintégration de Higgs " dit Mateusz Goncerz, M.Sc. (IFJ PAN), co-auteur de l'article en question.

L'énergie de collision des protons au LHC, actuellement le plus grand accélérateur de particules au monde, peut atteindre plusieurs téraélectronvolts et est théoriquement suffisante pour produire des Higgs capables de franchir la barrière énergétique qui sépare notre monde de la Vallée cachée. Malheureusement, les protons ne sont pas des particules élémentaires – ils sont composés de trois quarks de valence liés par de fortes interactions, capables de générer un grand nombre de particules virtuelles apparaissant et disparaissant constamment, y compris des paires quark-antiquark. Une structure interne aussi dynamique et complexe produit un grand nombre de particules secondaires dans les collisions de protons, y compris de nombreux quarks et antiquarks de grandes masses. Ils forment un fond dans lequel il devient pratiquement impossible de trouver les particules des désintégrations exotiques du boson de Higgs recherchées.

La détection d'éventuelles désintégrations de Higgs vers ces états devrait être radicalement améliorée par les accélérateurs conçus pour succéder au LHC : le CLIC (Compact Linear Collider) et le FCC (Future Circular Collider). Dans les deux dispositifs, il sera possible de faire entrer en collision des électrons avec leurs partenaires anti-matériaux, les positrons (avec CLIC dédié à ce type de collision, tandis que FCC permettra également des collisions de protons et d'ions lourds). Les électrons et les positrons sont dépourvus de structure interne, de sorte que le bruit de fond des désintégrations exotiques du boson de Higgs devrait être plus faible qu'au LHC. Seulement le sera-t-il suffisamment pour discerner le précieux signal ?

Dans leurs recherches, les physiciens de l'IFJ PAN ont pris en compte les paramètres les plus importants des accélérateurs CLIC et FCC et ont déterminé la probabilité de désintégrations exotiques de Higgs avec des états finaux sous la forme de quatre quarks et antiquarks de beauté. Pour s'assurer que les prédictions couvrent un groupe plus large de modèles, les masses et les durées de vie moyennes des particules exotiques ont été prises en compte sur des plages de valeurs suffisamment larges. Les conclusions sont étonnamment positives : tout indique que, dans les futurs collisionneurs électron-positon, le bruit de fond des désintégrations exotiques de Higgs pourrait être réduit même radicalement, de plusieurs ordres de grandeur, et dans certains cas pourrait même être considéré comme négligeable.

L'existence de communicateurs de particules n'est pas seulement possible dans les modèles Hidden Valley, mais aussi dans d'autres extensions du modèle standard. Ainsi, si les détecteurs des futurs accélérateurs enregistrent une signature correspondant aux désintégrations de Higgs analysées par les chercheurs de Cracovie, ce ne sera que la première étape sur la voie de la compréhension de la nouvelle physique. Il s'agira ensuite de collecter un nombre suffisamment important d'événements et de déterminer les principaux paramètres de désintégration pouvant être comparés aux prédictions des modèles théoriques de la nouvelle physique.

"La principale conclusion de notre travail est donc purement pratique. Nous ne savons pas si les nouvelles particules physiques impliquées dans les désintégrations du boson de Higgs appartiendront au modèle Hidden Valley que nous avons utilisé. Cependant, nous avons traité ce modèle comme représentatif de nombreuses autres propositions pour nouvelle physique et ont montré que si, comme le prédit le modèle, les bosons de Higgs se désintègrent en particules exotiques, ce phénomène devrait être parfaitement visible dans les collisionneurs d'électrons et de positons dont le lancement est prévu dans un avenir proche », conclut le professeur Kucharczyk .

Référence : "Recherche de désintégrations exotiques du boson de Higgs dans des particules à vie longue avec des paires de jets dans l'état final au CLIC" par Marcin Kucharczyk et Mateusz Goncerz, 17 mars 2023, Journal of High Energy Physics.DOI : 10.1007/JHEP03(2023 )131

La recherche en question a été financée par une subvention OPUS du Centre scientifique national polonais.