La Masse du Boson de Higgs et l'Évolution de l'Univers – EUHiggs

Dans des travaux précédents, nous avons identifié une caractéristique commune aux modèles de sélection cosmologique de l’échelle électrofaible. Ils possèdent tous un opérateur particulier appelé « déclencheur » (trigger), sensible à la valeur moyenne du champ de Higgs dans le vide. En un sens, cela est assez évident : si l’on veut expliquer (ou sélectionner) une valeur pour la masse du Higgs, il faut un objet dans la théorie qui y soit sensible. Cependant, il n’est pas du tout trivial de trouver des quantités locales sensibles au carré de la masse du Higgs. Dans le Modèle standard (SM), un seul exemple existe : la contraction asymétrique de deux tenseurs de champ gluoniques, Tr[GG~]. Même en nous accordant une liberté totale dans le choix du contenu en particules et des couplages au-delà du SM, seuls deux exemples existent : un nouveau doublet de Higgs H1 avec l’opérateur déclencheur H1H2, et de nouveaux fermions vectoriels avec des couplages de Yukawa au Higgs, chargés sous un groupe de jauge confinant. L’équivalent de Tr[GG~] pour ce nouveau groupe peut alors servir de déclencheur.

Le projet se compose de deux étapes :

1. Déterminer la phénoménologie expérimentale des opérateurs déclencheurs existants.

2. Vérifier que la liste des opérateurs déclencheurs est complète.

Une fois que nous aurons identifié tous les opérateurs et leurs signatures expérimentales, nous pourrons tester l’idée de sélection cosmologique de la masse du Higgs, puisque sélectionner cette valeur de manière cosmologique (sans arguments anthropiques traditionnels ni problème de mesure) nécessite l’existence de tels opérateurs.

Nous avons déjà achevé la deuxième étape du projet dans l’article

« Weak Scale Triggers in the SMEFT »

Auteurs : P.G. Catinari, R.T. D'Agnolo et P. Sesma

arXiv:2512.11026

qui a récemment été accepté pour publication dans le Journal of High Energy Physics (JHEP). Dans ce travail, nous avons montré que Tr[WW~], où WW est le terme cinétique du boson de jauje des interactions faibles du Modèle Standard, ne peut pas être utilisé comme déclencheur, et qu’il en va de même pour tout autre opérateur du Modèle Standard, invariant de jauge et de dimension inférieure ou égale à 8. Cela exclut effectivement l’existence de nouveaux déclencheurs au-delà de ceux listés dans la section précédente et circonscrit nos tâches restantes à étudier plus en détail les signatures de ces trois opérateurs (H1H2, Tr[FF~] et Tr[GG~]).

Plusieurs autres articles que mon groupe et moi avons réalisés depuis le début du financement ANR sont pertinents pour les objectifs du projet. Dans

« A cosmological solution to the doublet-triplet splitting problem »

C. Csaki, R.T. D'Agnolo, E. Kuflik et P. Sesma,

JHEP 02, 048 (2025), doi:10.1007/JHEP02(2025)048

nous avons montré que le même mécanisme qui peut sélectionner la valeur observée de la masse du Higgs peut également résoudre le problème du strong-CP ainsi que le problème de la séparation doublet-triplet dans les théories de Grande Unification. Donc les résultats du project vont être importants aussi pour deux autres problème de long-cours en physique des particules.

Dans

« A multiverse outside of the swampland »

R.T. D'Agnolo, P. Mangini, G. Rigo et L.T. Wang,

Phys. Rev. D 110, no.5, 055007 (2024), doi:10.1103/PhysRevD.110.055007

nous avons démontré que l’existence du Multivers (un ingrédient clé pour de nombreux mécanismes de sélection pertinents pour ce travail) est compatible avec toutes les conséquences (conjecturées) en basse énergie de la gravité quantique. Dans

« Landscapes at Colliders »

R.T. D'Agnolo, M. Ettengruber et L.T. Wang,

[arXiv:2512.18001 [hep-ph]]

nous avons étudié les signatures de modèles simples de théorie quantique des champs décrivant le Multivers. Dans

« A Prototype Hybrid Mode Cavity for Heterodyne Axion Detection »

Z. Li, K. Zhou, M. Oriunno, A. Berlin, S. Calatroni, R.T. D'Agnolo, S.A.R. Ellis, P. Schuster, S.G. Tantawi et N. Toro,

[arXiv:2507.07173 [physics.ins-det]]

nous avons réalisé un prototype expérimental pour la détection d’axions, pertinent pour l’opérateur déclencheur Tr[GG~].

Le projet progresse conformément au calendrier, sa partie la plus difficile (l’exclusion de l’existence de nouveaux opérateurs déclencheurs) étant déjà achevée. Il nous reste la tâche, conceptuellement plus simple, d’étudier en détail les implications expérimentales des opérateurs déclencheurs existants. En pratique, nous allons concentrer nos efforts sur les trois opérateurs listés ci‑dessus : H1H2, Tr[FF~] et Tr[GG~].

1. Opérateur H1H2

La meilleure opportunité pour détecter l’opérateur déclencheur H1H2 consiste à étudier le nouveau doublet faible H1. Ses masses et ses couplages sont fortement contraints par l’exigence que H1H2 soit un déclencheur, ce qui le rend observable au Grand collisionneur de hadrons (LHC) actuellement en fonctionnement au CERN. J’ai réalisé les premiers calculs théoriques dans des travaux antérieurs et une analyse préliminaire est en cours au sein de la collaboration expérimentale CMS au CERN. Durant le reste du projet, nous affinerons ces prédictions, calculerons les sections efficaces pour la collaboration CMS et développerons de nouvelles stratégies d’analyse.

2. Opérateur Tr[FF~]

Dans le cas de Tr[FF~], de nouveaux fermions proches en masse du boson de Higgs sont prédits. Nous mènerons une étude approfondie, en examinant en détail les propriétés du groupe de jauge confinant sous lequel ces nouveaux fermions sont chargés, en utilisant des résultats issus du réseau (lattice) en QCD ainsi que les propriétés connues de groupes confinants approximativement conformes.

3. Opérateur Tr[GG~]

Les (pseudo)scalaires couplés à GG présentent des signatures expérimentales de type axion. J’ai déjà formulé des prédictions précises pour leurs masses et leurs couplages dans le cadre de modèles spécifiques dans des travaux antérieurs, et proposé des expériences pour les détecter. Pour la suite du projet, nous allons unifier ces prédictions théoriques dans un cadre général et poursuivre le développement de nos prototypes expérimentaux pour leur détection directe.

Pendant des décennies, nous avons essayé d'expliquer la valeur de la masse du boson de Higgs en termes de symétrie. Nous nous attendions à ce que de nouvelles symétries et les nouvelles particules qui les réalisent apparaissent, d'abord au LEP, puis au Tevatron et enfin au LHC. Après plus de 40 ans, nous ne les avons pas observées et l'origine de l'échelle des interactions faibles reste mystérieuse. Dans cette proposition, je propose un changement complet de perspective sur le problème. L'origine de l'échelle faible se situe aux premiers temps de l'histoire de l'Univers, mais elle laisse aujourd'hui des traces non négligeables en laboratoire. Je discute de la façon dont la valeur de la masse du boson de Higgs peut être liée à l'évolution de l'Univers, en développant un programme pour explorer pleinement les conséquences expérimentales de cette possibilité. L'impact d'un tel changement de perspective est considérable : il modifie radicalement notre compréhension de l'origine de l'échelle faible. Il offre une toute nouvelle motivation pour les expériences cosmologiques actuelles et futures. L'impact est également profond sur le programme expérimental de physique des hautes énergies puisque cette classe d'idées indique un certain nombre de nouvelles expériences et signatures, allant des sondes de forces à longue portée aux nouvelles signatures au LHC et dans les futurs collisionneurs.