En 2011, le physicien Javier Duarte et ses amis ont parcouru les routes de surface au-dessus de la circonférence de 17 milles du Large Hadron Collider, un accélérateur de particules souterrain situé à la frontière franco-suisse. Ils ont finalement terminé la tournée, mais cela leur a pris quatre heures de plus en plus angoissantes.
“La première mi-temps a été très agréable, mais la deuxième mi-temps a été beaucoup plus difficile”, dit-il. “Je ne m’étais pas entraîné correctement et je n’étais pas très bien préparé.”
Une nouvelle paire de chaussures de course ou des collations riches en glucides pourraient avoir amélioré les performances de Duarte, mais seulement légèrement. Pour trouver son rythme et faire du bon temps, Duarte avait besoin de plus que du raffinement. Il avait besoin de changer fondamentalement son approche de la course.
Trois ans et un programme d’entraînement complet plus tard, Duarte s’est attaqué à une course beaucoup plus longue : il a terminé le marathon de Chicago en trois heures et 15 minutes.
Duarte se retrouve une fois de plus dans un marathon, un avec une limite de temps fixe et une ligne d’arrivée plus insaisissable. Il cherche des preuves de l’auto-couplage du Higgs, un processus si rare que les scientifiques craignent de ne jamais le découvrir au LHC.
Les scientifiques ont initialement prévu que même après avoir combiné les données des deux détecteurs à usage général du LHC, et même avec une mise à niveau du LHC vers le LHC à haute luminosité, « nous serions encore quelque peu en deçà de l’observation concrète complète de ce phénomène, Dit Duarte, qui est maintenant professeur à l’Université de Californie à San Diego et dont les recherches sont soutenues par le Département américain de l’énergie.
Pour trouver ce processus rare – qui ne peut être observé que lorsque les particules de Higgs sont produites par paires – les scientifiques des expériences ATLAS et CMS avaient besoin d’une nouvelle approche. Aujourd’hui, ils repensent la façon dont ils filtrent, traitent et évaluent leurs données – un changement qui, espère-t-il, leur permettra de franchir la ligne d’arrivée.
boson de Higgs, champ de Higgs
Le boson de Higgs est une particule fondamentale qui a été découverte par les expériences ATLAS et CMS en 2012. Depuis la découverte de Higgs, les scientifiques ont essayé d’apprendre tout ce qu’ils pouvaient : sa masse, ses traits, sa durée de vie et comment il joue avec les autres particules fondamentales. . Mais une chose que les scientifiques doivent encore voir, c’est comment le Higgs interagit avec lui-même. “C’est la pièce manquante”, déclare Liza Brost, physicienne ATLAS au laboratoire national de Brookhaven du DOE.
Voir le Higgs interagir avec lui-même donnera aux scientifiques une fenêtre sur le champ de Higgs, un milieu invisible qui remplit tout l’univers et qui est responsable de donner leur masse aux particules fondamentales. Alors que les scientifiques ont effectué de nombreuses mesures du boson de Higgs, les propriétés du champ de Higgs sont encore mystérieuses.
“Nous voulons en savoir plus sur le champ de Higgs et en particulier sur la forme de son potentiel et sur les configurations de champ de Higgs qui coûtent le moins d’énergie”, explique la physicienne de CMS Cristina Mantilla Suarez, boursière postdoctorale Lederman au Fermi National Accelerator Laboratory. “Cela semble théorique mais a d’énormes implications.”
Selon Duarte, la forme du potentiel de Higgs est une sorte de modèle cosmique qui a guidé la façon dont l’énergie libérée lors du Big Bang s’est solidifiée dans la matière stable que nous voyons aujourd’hui.
“Le Higgs est intimement lié à l’évolution de l’univers, à la façon dont l’univers est devenu tel qu’il est et à son destin ultime”, déclare Duarte. “Le Higgs relie les grandes questions cosmiques aux échelles microscopiques.”
Un événement rare
Même si le champ de Higgs existe partout, les bosons de Higgs n’ont qu’une chance sur un milliard de se matérialiser lors de collisions dans le LHC. Les collisions convertissent l’énergie des particules en collision en masse, produisant momentanément de nouvelles particules.
Après plus d’une décennie de fonctionnement, les scientifiques estiment que le LHC a généré environ 7,5 millions de bosons de Higgs. Mais ils estiment que sur des quadrillions de collisions, le LHC n’a produit qu’environ 4 500 paires de bosons de Higgs, ce qui est le seul moyen pour les scientifiques de voir comment les bosons interagissent les uns avec les autres.
“La production de Di-Higgs est incroyablement rare, mais nous savons qu’elle existe”, déclare Suarez. “Le défi est qu’il est très facilement confondu avec d’autres processus qui se ressemblent.”
Les bosons de Higgs ont une durée de vie si courte que les scientifiques ne les voient pas directement. Au lieu de cela, les scientifiques utilisent de gigantesques détecteurs pour capturer et mesurer les particules produites par les bosons de Higgs lors de leur désintégration.
Dans la chasse aux jumeaux du boson de Higgs, CMS et ATLAS ont tourné leur attention vers le produit de désintégration du boson de Higgs le plus courant : les quarks bottom, qui sont produits environ 58 % du temps.
Malheureusement pour les chercheurs du Higgs, les quarks bottom sont une voie de désintégration préférée pour plus que les bosons de Higgs. “Il existe de nombreuses façons de créer deux quarks bottom”, explique Duarte.
Il est remarquablement difficile de démêler la minuscule portion de quarks bottom qui provenait à l’origine d’un boson de Higgs – par opposition à toute autre chose – comme un Où est Waldo? livre dans lequel tous les personnages sont vêtus de rayures rouges et blanches et bien trop petits pour être vus.
Deux façons de regarder un Higgs
C’est pourquoi les chercheurs de CMS et d’ATLAS étudient des sous-ensembles spécifiques d’événements de quarks bottom.
Même si les bosons de Higgs sont microscopiques, ils ne sont pas exempts de certaines lois du mouvement. “Si je lance un ballon de football à mon ami en passant devant lui, le ballon se déplacera presque perpendiculairement à ma trajectoire”, explique Duarte. “Mais si je fais cela depuis une voiture roulant à 60 miles par heure, ce ballon de football va avoir beaucoup d’élan vers l’avant.”
Appliqué aux échelles subatomiques, cela signifie que les bosons de Higgs avec beaucoup d’impulsion vers l’avant rejetteront les quarks bottom avec beaucoup d’impulsion vers l’avant. Duarte et ses collègues de CMS ont réalisé que cela pouvait les aider.
En raison de leurs interactions uniques, les bosons de Higgs sont produits avec une grande quantité de mouvement plus facilement que d’autres particules plus légères qui produisent également des quarks bottom. Ainsi, les quarks bottom “boostés” sont plus susceptibles de provenir des bosons de Higgs.
“Nous obtenons moins d’événements de signal, mais nous obtenons également moins d’événements de fond”, explique Duarte. « Le ratio augmente en notre faveur. Ces quarks bottom boostés du Higgs semblent également très différents des autres sources, que nous pouvons utiliser à notre avantage. »
En revanche, Brost et ses collègues d’ATLAS se sont penchés sur l’extrémité inférieure du spectre énergétique. Brost étudie les événements de double Higgs dans lesquels un boson de Higgs se transforme en une paire de quarks b et l’autre boson de Higgs se transforme en deux photons, la forme particulaire de la lumière. Bien que ce processus soit très rare – seulement 0,26% de toutes les désintégrations de double Higgs – il est également d’une clarté phénoménale.
« C’est ainsi que nous avons conçu les calorimètres de notre détecteur ; voir des photons », dit Brost. “Cela a été l’un de nos canaux les plus puissants.”
Soulèvement des machines
Les scientifiques utilisent de nouveaux outils informatiques sophistiqués pour affiner davantage la recherche.
Traditionnellement, les physiciens isolent les événements intéressants de collision de particules en utilisant ce que Brost appelle une technique de “coupe et comptage”. Elle compare cela à la coupe de moisissures (événements de fond indésirables) du fromage (événements de signal précieux).
“C’est un problème de savoir combien de fois nous sommes prêts à trancher par rapport à la quantité de fromage que nous perdons”, explique Brost.
Des exigences plus restrictives aident les scientifiques à supprimer les événements d’arrière-plan indésirables. Mais cela signifie également qu’ils perdent plus de leur signal. Pour minimiser la perte de signal, les physiciens se sont tournés vers l’apprentissage automatique. Un algorithme d’apprentissage automatique peut apprendre les différences entre le signal et l’arrière-plan et éliminer les événements inintéressants avec une précision délicate.
“La première fois que nous avons appliqué des techniques d’apprentissage automatique [on ATLAS data], il a tout fait sauter hors de l’eau », dit Brost. «C’était tellement plus sensible que tout le monde ne s’y attendait. Ensuite, nous avons dû passer l’année ou les deux prochaines à prouver à tout le monde que ce n’était pas faux. »
Sur CMS, Suarez développait des algorithmes d’apprentissage automatique pour d’autres projets lorsqu’elle a réalisé qu’ils pouvaient être appliqués à la recherche de paires de Higgs.
Lorsque Suarez a mis en œuvre un nouvel algorithme pour la première fois, elle était prudemment optimiste. “De nouveaux outils expérimentaux doivent être validés et testés”, déclare Suarez. « Cet outil était si nouveau qu’il n’était pas largement disponible. Il a fallu beaucoup de travail pour l’intégrer à notre analyse et l’appliquer aux données. »
Elle craignait que si elle ne pouvait pas faire fonctionner le nouveau logiciel, elle aurait passé plusieurs mois sans rien montrer. Mais selon Suarez, “il faut parfois prendre le risque”.
Chaud sur le sentier
Le risque a payé. Avec le nouveau logiciel et les nouvelles techniques d’apprentissage automatique, Suarez et ses collègues ont découvert que leur analyse est tout aussi sensible que les techniques que les scientifiques de CMS perfectionnent depuis des années.
“Toute nouvelle méthode peut devenir une amélioration significative lorsque nous les combinons toutes ensemble, en particulier à long terme”, déclare Suarez. “Nous continuons à développer de nouvelles façons de tester l’auto-couplage du Higgs plus tôt et avec moins de données. Le Higgs interagit avec lui-même, le plus tôt, nous pourrons répondre à beaucoup plus de questions. ”
Ces nouvelles méthodes aident également les chercheurs d’ATLAS. Brost et ses collègues ont effectué des calculs de fond en comble pour voir comment leur amélioration de la reconstruction des particules et du filtrage des données affectera leurs recherches de bosons de Higgs doubles au cours de l’exploitation 3 du LHC, qui vient de commencer.
“Nous avons fait des gribouillis au dos de l’enveloppe et nous sommes incroyablement proches”, a déclaré Brost. “C’est une période excitante.”
Pour passer de la preuve à la découverte dans ce domaine, les scientifiques prédisent qu’ils auront encore besoin de la puissance du LHC à haute luminosité, dont le démarrage est prévu en 2029. Il augmentera le taux de collision d’au moins un facteur 5 sur une décennie d’opérations prévues. Avec autant de données supplémentaires, les scientifiques pourront explorer en détail comment les particules de Higgs interagissent les unes avec les autres.