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Au LHC, un énigmatique signal montre-t-il un nouveau boson ?

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« Les fermions sont découverts aux États-Unis et les bosons en Europe » : cette plaisanterie à succès chez les physiciens va peut-être de nouveau être confirmée par de curieuses observations réalisées grâce aux détecteurs Atlas et CMS, du Cern. La prudence s'impose néanmoins mais il se peut que le LHC découvre bientôt un nouveau boson six fois plus lourd que celui de Brout-Englert-Higgs.

Les supercalculateurs permettent d'étudier le déluge de particules produites par les collisions de faisceaux de protons dans le détecteur CMS. On voit ici les dépôts d'énergie mis en évidence dans ce détecteur et produits par des jets de particules. Ceux associés à une paire de photon qui semble correspondre à une nouvelle particule de masse environ 750 GeV sont en vert. © Cern, Thomas Mc Cauley, CMS

Ce mardi 15 décembre, au grand amphithéâtre du Cern, l'affluence avait dépassé la capacité d'accueil et les derniers arrivés ont dû s'asseoir par terre. Nombreux aussi, sans doute, étaient ceux installés devant leur écran, prêts à suivre la conférence prévue à 15 heures et consacrée à un bilan des recherches d'une nouvelle physique dans les collisions à 13 TeV au LHC. Depuis une dizaine de jours en effet, une rumeur enflait dans la blogosphère de la physique des hautes énergies. Atlas et CMS, deux des principaux détecteurs du LHC, auraient commencé à livrer des indications en faveur de l'existence d'une nouvelle particule.

La rumeur était même assez précise. Il devait s'agir d'un boson, car la particule pointait le bout de son nez en se désintégrant sous forme de paires de photons, ce qui permettait de poser des contraintes sur son spin qui devait être entier (0 ou 2) et sur sa masse, d'environ 750 GeV. La communauté de la physique des hautes énergies était donc parcourue d'un certain frémissement car cette nouvelle particule ne pouvait pas faire partie du Modèle Standard. Pouvait-il s'agir d'un nouveau boson de Brout-Englert-Higgs prédit par certaines théories supersymétriques, ou encore du mythique boson Z’ ?

Une nouvelle physique qui se fait attendre

Il faut avouer que le découragement et même le pessimisme gagnent du terrain ces dernières années quant à la possibilité d'observer des signes d'une nouvelle physique au LHC, malgré sa montée en énergie et en luminosité pour sa fameuse deuxième saison, le « run 2 », entamée en juin 2015. Beaucoup attendaient déjà, et pour de bonnes raisons, un déluge de nouvelles particules dès le run 1.

La découverte du boson de Brout-Englert-Higgs, qui s'est avéré standard, trop standard, les bornes de plus en plus sévères sur l'existence des nouvelles particules prédites par la plus simple extension supersymétrique du modèle standard, ou encore d'autres possibilités plus exotiques comme les minitrous noirs, faisaient craindre le cauchemar des physiciens des années 1970 : l'hypothèse du Grand Désert. En d'autres termes, il n'y aurait peut-être aucune chance d'observer de nouvelles particules sans atteindre des énergies que même un Fermitron, un accélérateur de la taille de la Terre, ne permettrait pas d'égaler.

Qu'allaient donc annoncer, au nom de la collaboration CMS, le physicien Jim Olsen (université de Princeton) et, au nom de la collaboration Atlas, le physicien Marumi Kado (laboratoire de l'Accélérateur Linéaire, Orsay) ? Grosso modo, la même chose. De nouvelles bornes pour les masses des particules supersymétriques comme les squarks et les gluinos, l'exclusion de la production de minitrous noirs de masses inférieures à environ 8 TeV et aucun signe de l'existence de boson Z', W' ni de la matière noire.

Mais...Atlas et CMS voient bien un curieux excès de paires de photons pouvant correspondre à la production d'une nouvelle particule dont la masse serait d'environ 750 GeV. L'excès est faible pour CMS avec un signal anormal qui dévie du bruit de fond de 2,6 sigma et un excès plus conséquent pour Atlas qui est de 3,6 sigma (correspondant à l'écart-type, ce qui exprime la probabilité que l'observation soit en fait due à de simples fluctuations statistiques, donc du bruit et pas un vrai signal).

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

Un nouveau boson lourd ou bien du bruit dans les détecteurs ?

Interrogé sur la signification de ces mesures, le physicien Julien Baglio, qui nous avait déjà parlé de ses recherches sur le boson de Brout-Englert-Higgs dans le cadre des théories supersymétriques, a expliqué à Futura-Sciences qu'il ne fallait pas s'emballer... mais que cela méritait que l'on y regarde de plus près.

Il rappelle que, prises individuellement, chacune de ces mesures ne permet pas d'affirmer que l'on est en présence d'une découverte, même en les combinant. Il estime tout de même intriguant qu'un signal comparable est observé dans deux détecteurs de conceptions différentes, ce qui rend moins probable un biais, une erreur systématique dans les mesures. On a cependant déjà vu des situations similaires qui, finalement, relevaient du hasard. D'ailleurs, le séminaire du Cern n'a pas confirmé le signal semblant mettre en évidence des bosons intermédiaires dans les détecteurs Atlas et CMS il y a quelques mois. Mais le physicien concède tout de même que la découverte du boson de Brout-Englert-Higgs avait commencé un peu de cette manière. Il insiste toutefois sur le fait qu'en l'état, on ne peut pas dire grand-chose et qu'il faudra attendre 2016 pour espérer y voir plus clair, en analysant l'ensemble des données collectées lors du run 2 mais aussi du run 1 puis celles qui seront obtenues l'année prochaine.

En effet, un boson d'une masse de 750 GeV aurait déjà dû commencer à se montrer lors du run 1. Ce n'était pas le cas mais Julien Baglio explique que les membres d'Atlas ont ré-analysé les données du run 1 et y ont trouvé la trace d'un très faible excès de photons compatible avec le run 2. Il explique aussi qu'il se pourrait que le boson peut-être observé soit en fait le produit de la désintégration d'une particule encore plus lourde, ce qui expliquerait pourquoi elle ne commence à être visible que maintenant, avec des collisions à 13 TeV et une luminosité accrue.

Une chose semble claire en tout cas, et elle ne concerne pas l'énigmatique signal vu par Atlas et CMS. Les nouvelles bornes pour les masses des squarks et les gluinos, les bosons et fermions supersymétriques partenaires des quarks et des gluons, sont particulièrement dévastatrices pour le modèle supersymétrique le plus simple, le fameux MSSM dans sa version contrainte, déjà presque moribond. Julien Baglio est donc plutôt pessimiste à cet égard, tout en rappelant qu'il existe bien d'autres extensions supersymétriques du Modèle Standard, comme le NMSSM (Next-to-Minimal Supersymmetric Standard Model). La Split supersymétrie (split supersymmetry en anglais), par exemple, est aussi prometteuse mais il faudra peut-être disposer d'un LHC de 100 km de circonférence pour la découvrir...

Rêvons tout de même un peu en mettant de côté une prudence et un scepticisme bien nécessaires. Supposons qu'il existe bel et bien un nouveau boson de masse environ 750 GeV. Existe-t-il des théories pouvant expliquer son existence ? Comme le confirme sur son blog le physicien Adam Falkowski, il y en a même beaucoup. Et tout comme Jim Olsen lors de la présentation des résultats de CMS, il évoque la possibilité d'un graviton massif prédit par le modèle de Randall-Sundrum, c'est-à-dire celui pris comme hypothèse pour développer la toile de fond d'Interstellar...

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