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Boson de Higgs : la tension monte au Cern !

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Suspens autour du Higgs : le 13 décembre 2011, en début d'après-midi, un séminaire du Cern sera retransmis sur la Toile. On est certain que la découverte de la fameuse particule... ne sera pas révélée. Mais il sera probablement question d'indices de son existence dans deux détecteurs du LHC. Avant cette annonce, révisons un peu ce sujet pour mieux comprendre ce qui se dira demain au Cern.

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

En cherchant à construire des équations décrivant des champs de forces entre particules de matière et respectant les lois de la mécanique quantique et de la théorie de la relativité, on a la surprise de constater que la forme générale de ces équations est très contrainte. Il faut que ces équations ressemblent à celles de l'électromagnétisme avec l'équivalent des photons. On voit aussi apparaître des sortes de généralisations de la charge électrique.

Avec ces équations, on s'aperçoit rapidement que si nous pouvons voir la lumière des plus lointaines régions de l'univers observable, en particulier celle des quasars et du rayonnement fossile, c'est parce que la masse du photon est nulle, ou tellement faible que nous n'avons toujours pas été capables de la mesurer.

Le Higgs, la solution à un problème des divergences infinies du modèle standard

Si nous ne sentons pas à notre échelle les « photons nucléaires forts » que sont les pions de Yukawa liant les protons et les neutrons dans les noyaux, ou les « photons nucléaires faibles » que sont les bosons W et Z qui interviennent dans la radioactivité et la physique des neutrinos, c'est parce qu'ils sont massifs et ne transmettent donc que des forces à courtes portées.

Malheureusement, si l'on essaie de construire l'analogue des équations de Maxwell pour ces « photons nucléaires faibles » (ce qu'on appelle des équations de Yang-Mills), le fait qu'ils doivent être massifs conduit à des problèmes mathématiques caractérisés par l'apparition de quantités infinies en théorie quantique des champs relativistes.

On peut se débarrasser de ces problèmes en introduisant un nouveau champ dont les quanta d'énergie sont, tout comme les photons, des bosons. Ce champ qui donne une masse aux photons nucléaires est décrit par ce qu'on appelle le mécanisme de Higgs. Son « photon » associé est donc le boson de Higgs et, au passage, rappelons qu'il n'a rien à voir, ni de près ni de loin avec la Force de Star Wars, comme certains le prétendent dans les médias actuellement...

De gauche à droite Chen Ning Yang et Robert Mills en pleine discussion à la fin des années 1990. © Nu Xu

Indirectement, cette particule apparaît dans plusieurs des calculs décrivant les interactions entre quarks et leptons dans le cadre du modèle standard des particules (MS), c'est-à-dire la chromodynamique quantique et la théorie électrofaible de Glashow-Weinberg-Salam. Le champ de Higgs joue également un rôle dans la détermination des masses des quarks et des leptons, c'est-à-dire, cette fois, les particules de matière du modèle standard.

Un mécanisme général pour doter les particules de masse

D'une façon ou d'une autre, il doit effectivement exister quelque chose qui ressemble au mécanisme de Higgs donnant une masse aux particules du modèle standard. En effet, sa présence a déjà été plus ou moins testée indirectement avec le succès des calculs décrivant des réactions dans les collisions du LEP et du Tevatron.

Le boson de Higgs lui-même doit être massif, mais l'un des problèmes du modèle standard est que nous ignorons la valeur de sa masse et la façon dont il influence précisément les diverses réactions entre particules.

Plusieurs paramètres libres du modèle standard (19 pour être précis) proviennent, pour le moment, des expériences seules. C'est le cas notamment de la masse des électrons et des quarks. Si le Higgs existe bien, il devrait être possible de mieux comprendre (mais pas complètement) pourquoi ces paramètres ont ces valeurs. Avant la découverte des protons, électrons et noyaux, on ne savait pas d'où provenaient les masses et la diversité des éléments ni les énergies des réactions chimiques. Cette ignorance pointait vers une physique plus fondamentale. Pour la même raison, on peut penser qu'une théorie plus vaste se cache derrière les impressionnants succès du modèle standard.

De plus, bien que l'on ait rassemblé les forces électromagnétiques et nucléaires faibles en un seul système d'équations grâce au boson de Higgs, il reste à faire la même chose avec les forces nucléaires fortes et finalement la gravitation. Tout naturellement, on s'attend à ce que d'autres bosons de Higgs interviennent dans ces équations de Grande Unification (GUT et supergravité notamment).

Plusieurs bosons de Higgs possibles et plusieurs fenêtres d'observation

Si on cherche à plonger le modèle standard dans une théorie plus vaste (comme la supersymétrie), la masse de son boson de Higgs et la façon dont il influence les réactions entre les particules peuvent être mieux comprises. Dans certains cas, cela nécessite de changer un peu ce à quoi on doit s'attendre dans le cadre du modèle standard.

La morale de tout cela est qu'il peut exister plusieurs bosons de Higgs et que la plus simple description du mécanisme expliquant les masses du MS à l'aide d'un boson de Higgs standard, n'est peut-être pas la voie que la nature a choisie. Mais surtout, la découverte du Higgs peut ouvrir la porte à une compréhension plus profonde de la physique, à la racine de tout ce qui existe, des particules de nos neurones à la naissance même de l'univers.

Plusieurs réactions entre particules peuvent produire un boson de Higgs et celui-ci peut se désintégrer en plusieurs autres particules. Comme il est de règle en mécanique quantique, elles sont gouvernées par des lois de probabilités. En fonction de l'énergie des particules entrant en collisions et de la masse du Higgs, ses taux de production et de désintégrations selon divers « canaux », comme disent les physiciens des particules, sont différents (voir le schéma ci-dessous). Il a donc fallu réfléchir aux stratégies les plus efficaces pour produire et détecter le boson de Higgs.

Sur ce schéma sont montrées les importances relatives de certains canaux de désintégration du Higgs en fonction de sa masse éventuelle. On voit ainsi qu'entre 100 GeV et 150 GeV apparaît une bosse exprimant l'importance du canal de désintégration à deux photons gamma (pointillé rouge). Au-delà de 200 GeV le canal caractérisé par la production d'un quark b et d'un antiquark b (courbe rouge) devient complètement négligeable devant ceux avec bosons Z ou W. Bien que ces deux canaux soient fortement favorisés par rapport à celui à deux photons vers 130 GeV, le signal en gamma est moins bruité que le signal en ZZ ou WW. C'est pourquoi, si le Higgs standard existe et a bien une masse entre 115 GeV et 140 GeV, les premiers indices de son existence seront ces photons gamma. © Cern-Konrad Jende

On en a ainsi déduit que les réactions les plus efficaces pour produire le boson de Higgs sont les collisions de protons ou d'antiprotons. Malheureusement, dans ce cas, plusieurs autres réactions se produisent, générant un bruit de fond noyant la délicate musique des désintégrations du boson de Higgs.

Toutefois, si l'on prend une analogie issue des transmissions de radio, il existe des bandes de fréquence où le bruit de fond est plus faible et où la musique du Higgs se fait plus forte. Selon sa masse, la bande où le chercher le plus efficacement ne sera donc pas la même.


Une belle vidéo expliquant l'aventure de la physique des hautes énergies au LHC. © Cern/YouTube

La fenêtre des photons gamma et des bosons Z

On a joué à ce jeu au LEP au début des années 1990 à partir de collisions entre électrons et positrons. Le Tevatron a pris la suite en collisionnant des protons et des antiprotons. C'est maintenant au tour du LHC, où CMS et Atlas étudient les particules issues des collisions de protons. Lentement mais inexorablement, les bandes où chercher des signaux du boson de Higgs standard se sont réduites.

Si l'on devait prendre une analogie issue de l'astronomie, le boson de Higgs serait une étoile dont on ne connaîtrait pas très bien la courbe donnant l'intensité du rayonnement en fonction de la longueur d'onde. Même si la forme générale de la courbe est connue et que la physique de l'étoile l'est aussi dans les grandes lignes, on ne sait pas très bien si l'astre est le plus brillant dans l'ultraviolet ou l'infrarouge.

De plus, pour l'identifier, il faut disposer d'une bonne photographie, c'est-à-dire enregistrer le maximum de photons avec la meilleure résolution et donc faire une pose la plus longue possible. En physique des particules, cela revient à « augmenter la statistique », c'est-à-dire enregistrer un nombre suffisamment élevé d'événements avec un grand nombre de collisions.

En haut : Diagramme montrant la désintégration du boson de Higgs dans le canal avec deux photons gamma. Il semble qu'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. Il semble bien moins sûr que l'annonce de demain mentionne une telle signature du boson de Higgs. © Matthew Strassler

Bilan actuel :

  • si le boson de Higgs standard existe, il doit avoir une masse comprise entre 115 GeV et 140 GeV ;
  • les canaux de désintégrations où il est le plus facilement mis en évidence sont ceux où il produit deux photons gamma, deux bosons W ou encore deux bosons Z qui se désintègrent à leur tour en leptons, comme l'électron, le muon ou le neutrino (et bien sûr leur antiparticules).

Pour être sûr qu'une découverte a vraiment été faite, il faut que le signal obtenu soit très différent de simples fluctuations statistiques. On peut faire l'analogie avec les formes qu'on se plaît à voir dans les nuages : aucune cause particulière autre que le hasard n'est alors à l'œuvre mais si on découvrait un nuage portant tous les détails d'une fresque de Raphael, on ne pourrait plus croire à un phénomène aléatoire. Pour éliminer le risque d'enregistrer un faux signal à cause d'une erreur de construction ou de conception d'un appareil (ce que les scientifiques appellent un biais systématique), on utilise deux instruments de mesure différents. Ce qui explique en partie pourquoi Atlas et CMS ont été construits. Voir deux signaux similaires dans deux détecteurs est donc bien plus convaincant, même en l'absence d'une statistique suffisante, pour confirmer une découverte.

Tout ceci explique l'importance du séminaire du 13 décembre 2011 au Cern, qui devrait annoncer non pas la découverte de la musique du boson de Higgs mais d'une mélodie faible noyée dans un brouhaha, dans la même bande de fréquence par deux « postes de radio » différents, à savoir Atlas et CMS. Un séminaire donc attendu impatiemment par toute la communauté de la physique des hautes énergies.

Pour suivre la retransmission du Cern, rendez-vous sur la page dédiée.