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À la recherche de preuves de la «nouvelle physique»

Le boson de Higgs est une particule élémentaire dont l’existence a été confirmée en 2012, qui complète le modèle standard utilisé pour étudier les particules élémentaires et leurs interactions. Des mesures plus précises du modèle standard peuvent toutefois laisser entrevoir une «nouvelle physique», et c’est ce qui a été étudié dans le cadre du projet HEFTinLOOPS.

Recherche fondamentale

Le modèle standard (SM) est une théorie englobant les connaissances portant sur les particules élémentaires et leurs interactions. Le Grand collisionneur de hadrons (LHC), en Suisse, réalise actuellement des essais sous contrainte du SM en mesurant précisément les réactions entre les différentes particules. Ces mesures sont comparées aux prédictions du SM afin d’identifier les déviations susceptibles de révéler une «nouvelle physique» (au-delà du SM). Cette nouvelle physique peut être explorée même lorsque les nouvelles particules sont trop lourdes pour être directement produites par les collisions, car ces dernières modifient les interactions des particules déjà connues. En mesurant précisément ces interactions, les chercheurs peuvent extraire les premiers indices de la nouvelle physique. Le projet HEFTinLOOPS, soutenu par l’UE, a utilisé le cadre théorique connu sous le nom de théorie effective des champs (EFT) pour calculer l’impact potentiel des particules lourdes encore inconnues sur les différents processus de production du boson de Higgs et du quark top, mesurés au LHC. Étant donné que le quark top et le boson de Higgs sont les deux particules élémentaires les plus lourdes et que leurs interactions sont les moins bien comprises, ils jouent un rôle crucial dans les théories de la nouvelle physique. Ce projet, mené avec le soutien du programme Marie Skłodowska-Curie, a établi des prédictions théoriques pour le programme SMEFT (Standard Model Effective Field Theory) du LHC. Il a permis de développer les outils nécessaires aux expérimentateurs et aux théoriciens pour mener à bien cette tâche. HEFTinLOOPS a également produit des calculs précis pour divers processus de diffusion des particules, en se concentrant sur la production de quarks top et de bosons de Higgs ainsi que sur l’interprétation des mesures du LHC dans le cadre du SMEFT.

Des calculs précis

HEFTinLOOPS cherche à prédire comment la probabilité de produire un boson de Higgs ou un quark top au LHC changerait si certaines particules lourdes encore inconnues existaient. Pour y parvenir, le projet a d’abord dû mettre au point les techniques et les codes informatiques nécessaires pour réaliser des prédictions précises permettant d’extraire des informations sur ces particules. Pour effectuer ces calculs, HEFTinLOOPS a développé les composants d’un générateur de Monte Carlo. Il s’agit d’un code informatique capable de prédire la fréquence d’un processus de diffusion se produisant au niveau d’un collisionneur, ce qui lui permet de calculer l’impact de nouvelles interactions sur les taux de production de bosons de Higgs ou de quarks top. Les chercheurs ont envisagé plusieurs modes de production du boson de Higgs, notamment un boson de Higgs associé à un quark top, avec des jets chromodynamiques quantiques (QCD) et un boson vectoriel, ainsi qu’une double production de Higgs. Tous ces processus sont importants car ils permettent de comprendre comment le boson de Higgs interagit avec les autres particules du SM, ainsi qu’avec les autres bosons de Higgs. «Le projet a requis beaucoup de calculs analytiques, et de nouveaux résultats ont également dû être codés dans des outils informatiques. Il s’agissait d’un objectif important car il a permis de mettre les résultats à la disposition de l’ensemble de la communauté de la physique des collisions», explique Eleni Vryonidou, boursière Marie Skłodowska-Curie. En comparant les prédictions théoriques relatives à la production de quarks top avec les données du LHC, le projet n’a trouvé aucun écart significatif par rapport aux prédictions du SM, mais en imposant les contraintes les plus strictes pour les nouvelles interactions des quarks top, il a fait progresser la quête d’une nouvelle physique.

Vers une nouvelle physique

HEFTinLOOPS a mis au point les premiers outils de calcul précis requis pour établir différentes prévisions concernant la production de bosons de Higgs et de quarks top au LHC, en tenant compte des incertitudes, dans le cadre des EFT. Les résultats théoriques du projet et les outils associés ont déjà été largement utilisés par l’ensemble des membres de la communauté de la physique des particules, pour interpréter leurs mesures, ce qui les a aidés à déterminer l’échelle et la nature de la nouvelle physique. «HEFTinLOOPS améliore notre compréhension des plus petits constituants de la matière et de leurs interactions, ce qui nous aide à répondre à certaines des questions les plus fondamentales de la nature», explique Eleni Vryonidou. Après avoir comparé les prévisions du SM concernant la production de quarks top avec les mesures du LHC, la prochaine étape consistera à faire la même chose avec les bosons de Higgs.

Mots‑clés

HEFTinLOOPS, nouvelle physique, boson de Higgs, quark top, modèle standard, Grand collisionneur de hadrons, théorie effective des champs, particules, collisions

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