Le boson de Higgs, découvert au grand collisionneur de hadrons (LHC) en 2012, joue un rôle central dans le modèle standard de physique des particules, étouffant les particules élémentaires telles que les quarks avec la masse par ses interactions. L'interaction du boson de Higgs avec les quarks les plus lourdes de « troisième génération » – les quarks top et inférieurs – a été observée et a été jugée conforme au modèle standard.
Mais sonder ses interactions avec des quarks plus légers « de deuxième génération », tels que le quark de charme, et les quarks de « première génération » les plus légers – les quarks de haut en bas qui composent les éléments constitutifs des noyaux atomiques – remémore un défi formidable, laissant sans réponse la question de savoir si le Higgs Boson est responsable de la génération des masses des Quarks qui inventent ou non la matière de Higgs.
Les chercheurs étudient les interactions du boson de Higgs en examinant comment les particules se décomposent – ou sont produites avec – d'autres particules dans les collisions proton-proton à haute énergie au LHC.
Lors d'un récent séminaire tenu au CERN, la collaboration de l'expérience CMS a rapporté les résultats de la première recherche d'un boson de Higgs se décomposant dans une paire de quarks de charme dans les événements de collision où le boson de Higgs est produit aux côtés de deux quarks supérieurs. Exploitant des techniques d'IA de pointe, cette nouvelle recherche a été utilisée pour définir les limites les plus strictes à ce jour sur l'interaction entre le boson de Higgs et le Quark de charme.
La production d'un boson de Higgs en association avec une paire de quarts de haut niveau, avec le boson de Higgs se décomposant en paires de quarks, n'est pas seulement un processus rare au LHC, mais qui est particulièrement difficile à distinguer des événements de collision de fond similaires.
En effet, les quarks produisent immédiatement des sprays collimatés (ou des « jets ») des hadrons qui ne parcourent qu'une petite distance avant de se décomposer, ce qui rend particulièrement difficile d'identifier les jets provenant de quarks de charme qui sont créés dans la décomposition d'un boson de Higgs provenant d'autres types de tremblements.
Les méthodes d'identification traditionnelles, appelées «tagging», luttent pour reconnaître efficacement les jets de charme, nécessitant le développement de techniques de discrimination plus avancées.
« Cette recherche a nécessité un changement de paradigme dans les techniques d'analyse », explique Sebastian Wuchterl, chercheur à la CERN. « Parce que les quarks de charme sont plus difficiles à marquer que les quarks inférieurs, nous nous sommes appuyés sur des techniques d'apprentissage de la machine de pointe pour séparer le signal des arrière-plans. »
Les chercheurs du CMS ont abordé deux obstacles majeurs à l'aide de modèles d'apprentissage automatique. Le premier était l'identification des jets de charme, qui ont été effectués en utilisant un type d'algorithme appelé réseau neuronal graphique. La seconde consistait à distinguer les signaux de boson de Higgs des processus d'arrière-plan, qui a été traité avec un réseau de transformateur – le type d'apprentissage automatique qui est derrière Chatgpt mais formé pour classer les événements au lieu de générer des dialogues.
L'algorithme de marmotage a été formé sur des centaines de millions de jets simulés pour lui permettre de reconnaître les jets de charme avec une précision plus élevée.
En utilisant des données recueillies de 2016 à 2018, combinées avec les résultats des recherches précédentes pour la décroissance du boson de Higgs dans les quarks de charme via d'autres processus, l'équipe CMS a fixé les limites les plus strictes à ce jour sur l'interaction entre le boson de Higgs et le quark de charme, déclarant une amélioration d'environ 35% par rapport aux contraintes précédentes. Cela place des limites significatives sur les écarts potentiels par rapport à la prédiction du modèle standard.
« Nos résultats marquent une étape majeure », explique Jan van der Linden, chercheur postdoctoral à l'Université de Gand. « Avec plus de données des prochaines courses du LHC et des techniques d'analyse améliorées, nous pouvons avoir un aperçu direct de l'interaction du boson de Higgs avec le charme de charme au LHC – une tâche qui a été jugée impossible il y a quelques années. »
Alors que le LHC continue de collecter des données, les raffinements dans le marquage de charme et la classification des événements du boson de Higgs pourraient éventuellement permettre au CMS, et son ATLAS d'expérience complémentaire, de confirmer la décomposition du boson de Higgs dans le charme de charme. Ce serait une étape majeure vers une compréhension complète du rôle du boson de Higgs dans la génération de la masse pour tous les quarks et fournit un test crucial du modèle standard de 50 ans.
