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Boson de Higgs : des nouvelles en provenance du Japon

Il y a un mois débutait à Kyoto au Japon l’Hadron Collider Physics Symposium (HCP). Ce fut l’occasion pour plusieurs physiciens de présenter l’état des recherches sur le boson de Higgs et sur les signes d’une physique au-delà du modèle standard au LHC. L’un des physiciens impliqués dans cette quête, Julien Baglio, y était. Comme à son habitude, il a bien voulu répondre à quelques questions pour Futura-Sciences.

Peter Higgs devant les équations décrivant sa théorie de la brisure de symétrie donnant une masse à des bosons de jauge. © Peter Tuffy, University of Edinburgh Peter Higgs devant les équations décrivant sa théorie de la brisure de symétrie donnant une masse à des bosons de jauge. © Peter Tuffy, University of Edinburgh

Boson de Higgs : des nouvelles en provenance du Japon - 5 Photos

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Le 4 juillet 2012, le Cern avait officiellement annoncé qu’un tout nouveau boson avait été trouvé dans les feux d’artifices de particules produits par les collisions de faisceaux de protons du LHC dans les détecteurs CMS et Atlas. Les premiers résultats laissaient espérer que l’on avait enfin débusqué le mythique boson de Peter Higgs.

Si tel était bien le cas, on était donc sur le point d’obtenir une preuve convaincante de l’existence d’un champ postulé pendant les années 1960 par Peter Higgs, François Englert, Robert Brout et quelques autres physiciens pour rendre compte de la masse des particules élémentaires.


Une présentation en trois minutes du Cern. On y étudie le boson de Higgs et on y chasse les particules de matière noire. © Cern

Il restait cependant quelques doutes. Il s’agissait d’un boson, mais de quel spin ? De quelle parité ? En physique des particules élémentaires, les lois de la relativité et de la mécanique quantique imposent, via des considérations de symétrie, qu’une particule est caractérisée par sa masse et son moment cinétique intrinsèque, son spin. On doit aussi spécifier une autre quantité, la parité. Elle est reliée au possible changement de comportement d’une particule élémentaire dans une expérience lorsqu’on la réalise à nouveau en prenant l’image des appareils utilisés dans un miroir. Le boson de Higgs standard doit être de spin nul et de parité positive.

Incertitude sur le spin de la particule du Cern

En juillet, on ne savait toujours pas si la particule était de spin 0 ou de spin 2. Dans le premier cas, on ne savait pas non plus si l’on avait affaire à une quantité pseudoscalaire, c'est-à-dire de parité négative, ou non. Dans le second cas, un boson de spin 2 devait probablement être un graviton de Kaluza-Klein, ce qui aurait été surprenant car un tel graviton observable au LHC n’émerge que dans une théorie à basse masse de Planck avec des dimensions spatiales supplémentaires. Or, dans cette éventualité, on aurait dû voir des minitrous noirs en train de se désintégrer...

Mais la question qui préoccupait sans doute le plus les chercheurs à ce moment-là concernait la façon dont se désintégrait le nouveau boson. S’il s’agissait bien du Higgs, des anomalies dans le canal de sa désintégration en photons pouvaient indiquer que de la nouvelle physique était à portée de main, comme de la supersymétrie ou des univers parallèles comme celui d’un des modèles de Randall-Sundrum.

Après le boson de Higgs, la supersymétrie ?

Après la découverte du boson de Higgs, celle de la supersymétrie est la plus attendue avec le LHC. Découvrir un monde de superparticules permettrait très probablement de résoudre les énigmes de la matière noire et de l’énergie noire, et rendrait la théorie des supercordes presque inévitable, si l'on en croit le physicien Michael Duff.

Malheureusement, en juillet 2012, aucun signe de ces particules mythiques ne se montrait dans les analyses des données recueillies dans les collisions à 8 TeV depuis le début de l’année. Tout le monde attendait donc l’Hadron Collider Physics Symposium de Kyoto, début novembre 2012. Peut-être, alors, en apprendrait-on plus, après de nouvelles analyses.

Julien Baglio, que les lecteurs de Futura-Sciences connaissent depuis un certain temps, y était pour présenter son travail. Voici ses réponses à quelques-unes de nos questions.

Julien Baglio présentant ses travaux sur le boson de Higgs lors de l’Hadron Collider Physics Symposium (HCP), à Kyoto, en novembre 2012. © HCP 2012 Local Organizing Committee
Julien Baglio présentant ses travaux sur le boson de Higgs lors de l’Hadron Collider Physics Symposium (HCP), à Kyoto, en novembre 2012. © HCP 2012 Local Organizing Committee

 

Futura-Sciences : A-t-on finalement réussi à déterminer le spin du boson découvert au LHC ?

Julien Baglio : Je voudrais commencer par rappeler que le modèle standard impose que le spin et la parité du boson de Higgs soient 0+. Pour l'instant, il n'y a pas de résultat définitif quant au fait que le boson découvert soit bien de spin zéro, bien que ce soit l'hypothèse la plus probable. Il y a par exemple un résultat intéressant, qui provient de la collaboration CMS, travaillant avec l’un des deux détecteurs géants du LHC chassant le boson de Higgs. Ce résultat, présenté à Kyoto, indique que dans l'hypothèse d'un boson scalaire, le fait qu'il soit pseudoscalaire (donc de parité négative, 0-) n'est que faiblement compatible avec les observations (dans le canal où le boson de Higgs se désintègre en deux bosons Z qui se désintègrent à leur tour en quatre leptons). L'hypothèse d'un scalaire (0+) apparaît comme plus favorisée par les observations de CMS, ce qui renforce l’hypothèse que l'on est bien en présence du boson de Higgs. D'autres observations, par exemple celles d'Atlas avec deux photons, ne sont pas favorables non plus à un graviton de spin 2+.

Futura-Sciences : Depuis l’annonce de la découverte du Cern le 4 juillet 2012, de nouvelles collisions à 8 TeV se sont produites et l’on a continué à analyser les données collectées depuis quelques années avec le LHC. Commence-t-on à voir des signes d’une nouvelle physique avec les canaux de désintégration de ce qui semble tout de même bien être le boson de Higgs ?

Julien Baglio : Toujours aucun signe tangible de nouvelle physique, malheureusement. Les résultats concernant le canal de désintégration d’un boson de Higgs en deux photons n'avaient pas été mis à jour lors du symposium de Kyoto, mais ils l'ont été récemment lors de séminaires au Cern retransmis sur la Toile. On devrait en savoir plus lors des rencontres de Moriond en mars 2013.

À mon avis il n'y a aucune chance d'observer des traces de cette nouvelle physique avec le Higgs et les données accumulées à 8 TeV en 2012. Au mieux, on peut espérer une indication (à 3 sigma, une découverte nécessitant 5 sigma, c’est-à-dire une chance sur 3 millions environ que ce que l’on observe soit dû à une fluctuation statistique, au hasard), mais guère plus. Et c'est déjà très optimiste. Il va donc falloir attendre le redémarrage du LHC en novembre 2014 à 13 TeV d'abord, puis à 14 TeV ensuite. Donc je dirais plutôt : « rendez-vous en 2015 » !

 

En haut : diagramme montrant la désintégration du boson de Higgs (H) dans le canal avec deux photons gamma. Atlas et CMS voient tous les deux des signes de ce mode de désintégration du boson de Higgs avec une masse similaire de l'ordre de 126 GeV. En bas : désintégration selon le canal des bosons Z. © Matthew Strassler

Futura-Sciences : Certains commencent à penser que l’on risque fort de ne pas découvrir de nouvelles particules après le boson de Higgs avec le LHC. Pour découvrir des traces indirectes d’une nouvelle physique, il faudrait probablement se contenter de faire des mesures fines avec des collisions de leptons, par exemple se diriger vers une version plus puissante du prédécesseur du LHC, le Lep, ou un collisionneur linéaire comme l’ILC. Qu’en pensez-vous ?

Julien Baglio : C'est la question à un million d'euros ! Ce que je peux en dire après le symposium de Kyoto, c'est que le Japon a mis au point un programme et une stratégie ambitieux pour accueillir sur son territoire le futur ILC. Les Japonais y croient vraiment et ce projet est mis en relation avec tout un plan de développement régional sur l'ensemble de leur territoire. Ils ont donc les financements (via différents programmes ministériels et appels d'offres privés), la stratégie scientifique, et surtout la technologie et les techniques (via leur expertise dans les faisceaux de neutrinos). Je ne vois pas, à l'heure actuelle, qui pourrait faire mieux qu'eux sur ce projet, et ils le mettent vraiment en avant.

Le problème avec une version plus puissante du collisionneur d’électrons et de positrons qui a précédé le LHC dans son tunnel au Cern, c’est qu’avec un tel Lep3 on n'aurait essentiellement qu'une usine à Higgs. On se priverait ainsi de réaliser des études plus prospectives de nouvelle physique, alors que l'ILC le permet. Toutefois, un Lep3 permettrait d'économiser des fonds en Europe en réutilisant (une nouvelle fois) le tunnel du Lep.

Ceci dit, on parle surtout d'un superLHC à 33 TeV, voire plus, et avant d'un LHC à très haute luminosité, ce qui signifie énormément de collisions et donc de données à analyser. Ainsi, il deviendrait plus aisé de traquer des effets très fins en accumulant de la statistique. Le cycle de vie du LHC est pour l'instant envisagé sur les 25 prochaines années au moins avec ses programmes prévus, qui font intervenir de nombreuses modifications dans le tunnel par ailleurs. Pour un superLHC à 100 TeV, il faudrait refaire le SPS pour le porter à 1 TeV par exemple.

Futura-Sciences : La supersymétrie permet de construire des théories capables de résoudre certains problèmes liés au boson de Higgs standard. Les versions les plus simples sont en difficulté avec les observations du LHC. Faudra-t-il en revenir à d’autres théories qui échappent aux problèmes du boson de Higgs, comme la technicouleur qui postule que c’est une particule composite comme le pion de la QCD ?

Julien Baglio : Pas nécessairement. Pour commencer, la technicouleur « basique » est morte. Dans sa formulation initiale, elle postulait un ensemble de nouvelles particules de matière et de forces ressemblant beaucoup à la QCD mais ne se manifestant qu’à des énergies élevées. De même que le pion neutre est un boson de spin nul constitué d’une paire quark-antiquark, le boson de Higgs serait un état lié de particules similaires collées par une nouvelle force forte à courte portée.

Après, on peut faire revivre la technicouleur dans des versions élaborées impliquant les dimensions supplémentaires, mais du coup je préfère parler de modèles à dimensions supplémentaires, ou de modèles de Higgs composites. C'est relativement populaire en ce moment.


Sur ce schéma on voit à gauche divers canaux de désintégration du boson de Higgs (H) en deux particules, des paires de quark b (bb), de bosons W ou Z, etc. En abscisse est porté le rapport des taux de désintégrations observés par rapport au modèle standard (MS). Les barres d'erreurs sont en rouge. On voit donc clairement que les observations de CMS reproduisent bien les prédictions (rectangle vert) pour le boson de Higgs standard. Le canal en deux photons gamma montre un excès mais qui ne semble pas significatif pour le moment. © Cern

Enfin, il se peut que le boson de Higgs soit tout ce qu'il y a de plus standard, et que le modèle électrofaible et la QCD soient valables jusqu'à la masse de Planck, caractéristique des effets de la gravitation quantique, sans qu’apparaissent de nouvelles forces ou particules. Oui, c'est triste, mais c'est possible... Nous pourrions donc être confrontés au cauchemar du scénario du désert de la fin des années 1970, lorsqu’on imaginait que, tout au plus, avant ces effets de gravitation quantique, les autres forces s’unifiaient dans le cadre d’une GUT à des énergies tellement élevées que l’humanité ne pourrait jamais explorer de la physique au-delà du modèle standard directement en accélérateur.

Techniquement parlant, il suffit de vivre dans une zone de stabilité ou de métastabilité du vide jusqu'à l’échelle d’énergie d’une GUT ou de celle de la masse de Planck (1016 TeV). Il y a de nombreuses études sur ce sujet en ce moment (voir les publications de John Ellis par exemple). Mais du fait de la très haute sensibilité aux incertitudes théoriques, les prédictions sont à prendre avec des pincettes.

J’espère très sincèrement que nous n’allons pas vers un tel scénario, même s’il reste énormément de choses à étudier et à comprendre au sein du modèle standard. Ce serait aussi très excitant d’avoir une fenêtre d’observation tangible vers de la physique qui aille au-delà, en dehors de celle des masses des neutrinos (ces dernières n’étant pas décrites au sens strict par le modèle standard).


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