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Le LHC va sonder à nouveau les mystères du boson de Brout-Englert-Higgs

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Le mécanisme de Brout-Englert-Higgs expliquant la masse des particules du modèle standard soulève de multiples questions auxquelles on pourrait répondre en découvrant des particules supersymétriques ou des dimensions spatiales supplémentaires. La version améliorée du LHC, qui devrait battre de nouveaux records d'énergies, va permettre aux physiciens de se pencher à nouveau sur ces questions dans quelques mois. En attendant, des vidéos portent témoignage des travaux réalisés pour "upgrader" le LHC.

Interview : peut-on créer des minitrous noirs sur Terre ?  Les trous noirs sont des astres fascinants. La force gravitationnelle qu’ils exercent est telle que ni la lumière ni la matière ne peuvent s’en échapper. Futura-Sciences a interrogé Aurélien Barrau, astrophysicien spécialisé en cosmologie et auteur du livre Des univers multiples, pour savoir si la création de trous noirs sur Terre est possible. 

Quand le Cern a été officiellement fondé il y a plus de 60 ans, les physiciens des hautes énergies entraient dans une ère assez différente de celle dans laquelle nous sommes encore en ce début de XXIe siècle. Pendant 15 ans environ, les accélérateurs de l'époque allaient découvrir un déluge de nouvelles particules manifestement liées aux forces nucléaires dites fortes et faibles. Mais tout au long de cette période, les théoriciens vont rester perplexes et même céder au désespoir pour bon nombre des plus brillants d'entre eux. L'existence de ces particules et des forces qu'elles révélaient semblait incompréhensible. Toutes les tentatives dans cette direction, basées sur la théorie quantique des champs, pourtant si spectaculairement couronnée de succès avec les prédictions de l'électrodynamique quantique de Feynman-Tomonaga-Schwinger (QED), échouaient lamentablement. Les forces nucléaires semblaient défier l'intelligence humaine, probablement trop primitive. Il y avait bien quelques éléments de réponses possibles comme les théories de Yang et Mills, le modèle des quarks de Gell-Mann et Zweig et bien sûr les travaux de Brout, Englert et Higgs, mais il va falloir attendre la fin des années 1960 et surtout le début des années 1970 pour qu'ils soient pris au sérieux.

En résumé, entre 1955 et 1970 environ, les expérimentateurs disposaient d'un grand nombre de phénomènes mal compris dans le cadre théorique de l'époque, lui-même peu développé si l'on excepte la QED. On pouvait donc dire que le modèle standard de la physique des particules de l'époque était en crise.

  Après 2 ans d’inactivité, le Large Hadron Collider (LHC) du Cern est bientôt prêt pour son grand retour. Comme vous pouvez le voir sur cette vidéo, de nombreuses améliorations et réparations ont été faites afin de rendre l’accélérateur de particules plus puissant et stable. © Cern

La désespérante efficacité du modèle standard

La situation est presque exactement inverse de nos jours. Nous disposons d'un vaste corpus d'idées théoriques bien développées et d'un énorme zoo de modèles. Mais il n'existe toujours pas une seule donnée expérimentale obtenue en laboratoire qui soit incontestablement une déviation des prédictions du modèle standard en physique des particules.

Celui-ci n'est donc pas en crise, il marche remarquablement bien et c'est ce qui fait paradoxalement que la physique elle-même se trouve dans une situation assez inconfortable et préoccupante. Il existe en effet des interrogations dans le modèle standard qui sont sans réponse. Le mécanisme de Brout-Englert-Higgs n'explique pas en particulier la valeur précise des masses des particules de matière, notamment des neutrinos, et le champ scalaire qui lui est associé pose certains problèmes, à commencer par son origine elle-même. On pense que l'on pourrait avoir un début de réponses à ces questions comme à d'autres si l'on disposait de données expérimentales pointant clairement quelle nouvelle physique remplace le modèle standard à suffisamment hautes énergies.

Toute la question est de savoir dès lors si ce territoire peut être exploré par l'humanité. On disposait de bons arguments pour espérer que ce soit bien le cas pendant les premières années de fonctionnement du LHC. Beaucoup étaient ceux qui attendaient la mise en évidence des particules de matière noire, très probablement supersymétriques, dès que l'on pourrait faire des collisions de faisceaux de protons à seulement quelques TeV. On pouvait raisonnablement aussi s'attendre à voir des manifestations des dimensions spatiales supplémentaires de la théorie des cordes à ces énergies, notamment par la création de minitrous noirs.

Hélas, si les trois années de prises de données du premier « run » du LHC, comme le disent les initiés, a bel et bien permis de mettre en évidence l'existence du boson de Brout-Englert-Higgs, c'est un boson parfaitement conforme à celui du modèle standard du début des années 1970 qui a été découvert et seulement lui. Aucune trace des modèles faisant intervenir de la nouvelle physique qui ont été proposés à partir de cette même période n'a été découverte, laissant craindre que l'on ne soit bientôt confronté au cauchemar des théoriciens de l'époque, celui de l'hypothèse du désert, c'est-à-dire l'inexistence de manifestations de cette nouvelle physique en dessous d'énergies à tout jamais hors de portée de l'humanité en laboratoire sur Terre.

Lorsque le LHC fonctionnera de nouveau, deux faisceaux de particules circulant en sens inverse entreront en collision au niveau de quatre points d’interaction à 100 m sous terre, à l’intérieur de gigantesques détecteurs : Alice, Atlas, CMS et LHCb. Dans cette vidéo, on voit comment des ingénieurs et des physiciens préparent ces quatre détecteurs à recevoir les gerbes de particules qui seront produites lors de ces collisions à 13 TeV. Les gigantesques bouchons du détecteur Atlas sont remis en place et les roues du détecteur CMS reprennent leur position « fermée ». L’immense porte rouge de l’expérience Alice est refermée et les portes d’accès au tunnel du LHC sont verrouillées avec des blocs de béton. © Cern

Des collisions à 13 TeV et une luminosité augmentée pour le LHC

Nullement découragés, les techniciens et les ingénieurs du Cern ont temporairement stoppé le LHC début 2013 pour préparer la machine à explorer de nouveaux territoires où se cachent peut-être la supersymétrie, les dimensions spatiales supplémentaires à moins que ce ne soit la géométrie non commutative de la médaille Fields de mathématique Alain Connes. Il fallait pour cela produire des collisions de faisceaux de protons à des énergies plus élevées et avec une plus grande luminosité. La non-découverte des nouvelles particules attendues peut en effet s'expliquer par le fait qu'elles sont plus massives qu'on ne l'imaginait et, comme l'implique la fameuse relation d'Einstein E = mc2, il est donc nécessaire de concentrer plus d'énergie sur les protons individuels, plus exactement sur les quarks et les gluons les constituants, pour fabriquer ces nouvelles particules. Certaines réactions de productions de ces particules sont peut-être aussi plus rares qu'on ne le pensait et en augmentant la fréquence des collisions (donc le flux de particules traversant une section d'un faisceau de protons) on peut donc augmenter aussi les chances de les voir en moins de quelques années ou décennies.

Pour atteindre ces buts, les aimants supraconducteurs du LHC et le système de refroidissement qui leur permet de fonctionner en dessous de 2 degrés ont été améliorés et renforcés ainsi que l'ensemble des systèmes électriques du grand collisionneur de hadrons afin de pouvoir résister à la montée en énergie et en luminosité et diminuer les risques d'accident que cela implique. Les détecteurs géants comme Atlas, CMS, LHCb et Alice ont aussi été mis à niveaux.

Le physicien Savas Dimopoulos est célèbre pour ses multiples contributions à la physique des hautes énergies. On lui doit notamment le Minimal Supersymmetric Standard Model (MSSM), la plus simple extension supersymétrique du modèle standard. Avec le physicien Nima Arkani-Hamed, on lui doit aussi la split supersymmetry, une autre extension supersymétrique du modèle standard. © Université Stanford

Où se cache la supersymétrie ?

Aux dernières nouvelles, des faisceaux de protons devraient circuler à nouveau dans le LHC le 23 mars 2015, mais le second « run », avec prises de données pour la physique, ne devrait débuter que le 18 mai 2015 avec des collisions à 13 TeV (des montées subséquentes en énergies et luminosité sont prévues dans les années à venir). Quelques propositions théoriques permettent d'espérer voir bientôt quelques traces des particules supersymétriques tant attendues, comme celle de la split supersymmetry ou un article récemment mis sur arxiv par Savas Dimopoulos et ses collègues.

Mais peut-être faudra-t-il finalement pour cela construire un LHC de 100 km de circonférence. Lors d'une interview donnée au Cern en 2014, le prix Nobel de physique François Englert avait donné son avis sur ces questions : « Mon opinion à ce sujet est qu'avant de faire un accélérateur de 100 km de circonférence, il serait très intéressant de voir ce qui va arriver avec le LHC. Parce qu'alors on verrait peut-être, malgré le fait que nous n'avons encore rien découvert aux précédentes énergies, des nouvelles particules. C'est une des possibilités. Il y a une autre possibilité, qui est aussi très intéressante : c'est qu'il n'y en ait aucune. Je n'ai pas envie d'essayer de deviner maintenant, et je pense que seules les expériences pourront nous renseigner à ce stade. Parce que ce sera vraiment la première indication de ce qu'il adviendra plus tard. Sans cela, il est très difficile de prédire ce qui pourrait être découvert avec un LHC de 100 km ».

Derrière le prix Nobel de physique 2013 François Englert, un tableau porte les équations du mécanisme de Brout-Englert-Higgs responsable de l’existence de la masse des bosons de jauge du modèle standard. On pense que le champ associé au boson de Higgs est aussi responsable de la masse des particules de matière comme les quarks et les électrons. L’étude fine des réactions de production de particules faisant intervenir le boson de Brout-Englert-Higgs constitue une fenêtre sur une physique au-delà du modèle standard. © Maximilien Brice, Cern