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Boson de Higgs et supersymétrie : un entretien avec Julien Baglio

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Julien Baglio, au micro de Futura-Sciences, poursuit son exploration des mystères du boson de Higgs. Pourquoi fait-on intervenir de la supersymétrie et que faut-il penser des annonces récentes sur des signes de la présence du boson de Higgs dans les données collectées par les détecteurs du Tevatron et du LHC ? 

François Englert, l'un des physiciens ayant découvert le mécanisme de Brout-Englert-Higgs. © Pnicolet-Wikipédia

La supersymétrie ne s'est pas encore montrée au LHC. Entre les prix Nobel, l'avis est partagé. Certains ne doutent pas de l'existence d'un supermonde, c'est le cas de David Gross, mais d'autres sont bien plus sceptiques ou émettent simplement des réserves, comme Leon Lederman.

Toujours est-il que les travaux sur la supersymétrie sont très nombreux depuis des dizaines d'années, que ce soit en physique des particules ou en cosmologie. En effet, elle se cache peut-être derrière l'énergie noire et la matière noire. En tout état de cause, on cherche à comprendre ses relations potentielles avec le boson de Higgs. Voici ce qu'en pense Julien Baglio qui fait partie du LHC Higgs Cross Section Working Group. Retrouvez également la première partie de cette interview, axée sur les théories GUT.

Julien Baglio devant le tableau noir de son bureau lors de son séjour au Cern dans la division de physique théorique. © Julien Baglio, Futura-Sciences, Laurent Sacco

Futura-Sciences : On parle beaucoup de bosons de Higgs supersymétriques, mais pourquoi ?

Julien Baglio : Il apparaît un problème avec le boson de Higgs du modèle standard si l'on cherche à prolonger ce modèle dans des théories de type GUT, et plus généralement avec des théories de gravitation quantique.

Dans les théories quantiques de champs de particules, des interactions mutuelles entre ces particules conduisent à ce que l'on appelle des divergences concernant leurs masses et leurs charges. On peut s'en faire une idée avec le fameux effet Larsen qui se produit lorsqu'un microphone est trop proche d'un haut-parleur qui lui est relié. L'intensité du son se met brutalement à croître à partir d'un certain moment, du fait d'une boucle de rétroaction.

Du fait de ces effets, quelque chose de similaire se produit avec la masse du boson de Higgs lorsque l'on veut compléter la physique du modèle standard avec de la physique non standard à plus hautes énergies. Les masses des particules fixées par le boson de Higgs se trouvent naturellement augmentées et atteignent, si l'on n'y prend garde, celles des particules à plus hautes énergies, caractéristiques de la théorie de GUT ou de gravitation quantique incorporant le modèle standard initial (Le problème se pose même déjà de façon très importante si l'on veut simplement que ce modèle reste valable jusqu'à des énergies de l'ordre de celle des GUT).

Pour garder les masses de particules comme l'électron ou les bosons Z et W aussi faibles que celles qui sont observées, il faut, soit faire des réglages peu convaincants et ad hoc dans les équations de la théorie, soit trouver un mécanisme qui stabilise automatiquement diverses quantités, comme la masse du boson de Higgs.

La supersymétrie repose sur une généralisation des lois mathématiques en rapport avec la géométrie de l'espace-temps très naturelle. Elle dicte la forme des équations incorporant cette symétrie et donc le contenu en particules et leurs interactions.

Magiquement, non seulement elle stabilise les interactions entre particules, de sorte que l'équivalent de l'effet Larsen ne se produit pas, mais elle assure aussi une unification des forces à hautes énergies, plus convaincante et plus proche de la perfection que dans le cas de GUT sans supersymétrie. En bonus, la supersymétrie contient naturellement des particules qui sont de bons candidats pour expliquer la nature de la matière noire. Ce n'est donc pas simplement une théorie très élégante, c'est aussi une théorie très utile.

Sur ces schémas, on voit l'extrapolation des valeurs des constantes de couplage décrivant les forces nucléaires et électromagnétiques en fonction de l'énergie en abscisse. Les intensités changent en fonction des énergies et de la taille des distances spatiales que l'on sonde avec des particules de plus en plus énergétiques. La théorie quantique des champs appliquée au modèle standard montre que ces constantes convergent, soutenant l'idée qu'une unification des forces doit se produire vers 1015 GeV où elles deviennent de même intensité avec une seule et unique constante de couplage. C'est un peu comme si la charge électrique et la constante de la gravitation devenaient identiques en valeur lorsque l'on considère des phénomènes à très hautes énergies. Mais comme le montre le schéma de gauche, l'unification dans des théories sans supersymétrie ne se fait pas vraiment. Ce n'est pas le cas avec le modèle standard supersymétrique minimal, le MSSM. Le schéma de droite montre qu'avec de la supersymétrie, les constantes convergent bien vers une valeur commune. © Cern

Si l'on complète le modèle électrofaible et les théories de GUT avec de la supersymétrie, bien des problèmes se résolvent mais au prix d'une multiplication du nombre de types de particules dans l'univers. Il faut ainsi plusieurs bosons de Higgs pour les versions supersymétriques du modèle standard et introduire ce qu'on appelle des partenaires supersymétriques pour les particules du modèle standard.

Cependant, initialement, la théorie prédisait que chaque superpartenaire, un boson pour un fermion et vice et versa, devait avoir la même masse. Le fermion partenaire du photon, appelé photino, aurait donc dû être détecté depuis longtemps puisque sans masse, ainsi que le partenaire de l'électron, un boson, que l'on aurait dû fabriquer facilement dans des collisions, tout comme le positron.

La supersymétrie est une théorie nécessairement brisée, puisque l'on n'a pas observé, par exemple, de superpartenaire de l'électron. Il faut donc envisager tout un nouveau zoo de particules partenaires des particules standards, mais bien plus massives, pour les rendre indétectables dans les collisions en accélérateurs réalisées jusqu'à présent.

Une conséquence intéressante de la supersymétrie dans sa version la plus simple, est que l'un de ces bosons de Higgs ressemble à celui du modèle standard. Il doit être léger, avec une masse inférieure à 135 GeV dans le cadre de ce qu'on appelle le modèle standard supersymétrique minimal, le MSSM.

Il semble que le MSSM soit maintenant très défavorisé par la non-observation des partenaires supersymétriques du modèle standard. Faut-il abandonner la supersymétrie ?

Julien Baglio : Pas encore et personnellement, je n'ai jamais vraiment cru au MSSM mais bien plutôt à une variante que l'on appelle le NMSSM (Next-to-Minimal Supersymmetric Standard Model).

Il faut d'abord dire que le MSSM était la plus simple modification possible du modèle standard avec de la supersymétrie. Mais d'autres versions existent avec cependant un prix à payer, l'introduction d'un grand nombre de paramètres libres. Une version supersymétrique du modèle standard est peut-être bien la voie qu'a « choisie » la nature pour résoudre le problème de la stabilité de la masse du boson de Higgs mais d'une manière beaucoup plus difficile à tester en accélérateur qu'on ne l'espérait.

Il faut même bien avoir à l'esprit que les contraintes très fortes apportées par les résultats du LHC jusqu'à maintenant concernent surtout des versions très simplifiées du MSSM où l'on se place dans un mécanisme très particulier de brisure de la supersymétrie avec des conditions d'universalité à l'échelle GUT. Ceci permet ainsi de réduire le nombre de paramètres libres du modèle et donc une exploration plus aisée (on peut penser aux modèles dits mSUGRA avec de la supergravité ou encore GMSB, AMSB). Si l'on se place dans le MSSM dit « phénoménologique », où l'on fixe tout de même quelques contraintes à une échelle plus basse, il y a généralement de l'ordre de 20 paramètres libres, et dans ce cas les contraintes expérimentales sont plus faibles.

Surtout, dans le cadre du MSSM, si la masse du Higgs reste stable et ne devient pas de l'ordre de celle de la fameuse masse de Planck, il y a un terme de masse dans les équations dont la valeur est arbitraire. On devrait s'attendre à ce qu'elle soit, elle aussi, très élevée de manière naturelle, puisque rien ne la protège. Cette valeur doit donc être de l'ordre de l'échelle d'énergie la plus élevée de la théorie (ou nulle).

Qu'elle ne le soit pas se comprend beaucoup mieux dans le cadre du NMSSM.

Les particules du modèle standard (à gauche) et leurs partenaires supersymétriques (à droite). © University of Glasgow

Les membres des collaborations CDF et DZero ont fait savoir qu'eux aussi voyaient dans les données enregistrées avant la fermeture définitive du Tevatron des signes du boson de Higgs. Peut-on en conclure, comme certains le laissent entendre, qu'en combinant grossièrement les données du LHC et du Tevatron, on a probablement déjà découvert le boson de Higgs ?

Julien Baglio : Pour une combinaison Atlas/CMS/DZero/CDF, je ne me prononcerai pas, cela implique des techniques statistiques trop complexes pour pouvoir donner un résultat crédible en combinant grossièrement. Il est vrai cependant que plus on a de statistiques, c'est-à-dire de données concernant des expériences, ici des collisions, plus on peut être sûr des résultats d'une mesure d'une grandeur physique. C'est un peu comme lorsqu'on fait une pose en photographie : plus on enregistre de photons, plus l'image obtenue est nette et permet l'identification d'un objet sans erreur.

Mais surtout, dans le cas du Tevatron, les recherches concernant un boson de Higgs avec une faible masse se font principalement avec un canal de désintégration du Higgs en quarks et antiquarks b. Malheureusement, ce canal n'est pas facile à mesurer car le bruit de fond QCD est énorme. C'est un peu comme si on essayait de comprendre ce que dit une personne dans une fête bruyante. Au LHC, les canaux de désintégrations avec des photons ou des leptons sont beaucoup plus distincts car ce ne sont pas des hadrons de la QCD, comme les quarks b.

J'ajouterais même que nous sommes plusieurs à penser qu'il n'est pas certain que les chercheurs du Tevatron aient pu réussir à évaluer correctement le bruit de fond pour le soustraire du signal enregistré et nous laisser entendre la musique du boson de Higgs. C'est vraiment un problème difficile et il est possible que l'on ait sous-estimé les incertitudes que l'on a sur la connaissance de ce bruit de fond QCD. Ensuite, quand on y regarde de plus près, l'excès mesuré dans une bande de masse, et qui peut signifier que l'on a bien observé des bosons de Higgs se désintégrant, provient majoritairement d'une seule expérience, CDF.

Tout cela incite à la prudence sur ce qu'a vraiment mesuré le Tevatron et encore plus sur ce qu'on peut en déduire en essayant de combiner ses résultats avec ceux du LHC. Cela reste malgré tout encourageant.

Peter Higgs devant le détecteur CMS. © Cern

Si je puis me permettre des commentaires plus techniques, j'ajouterais que combiner des résultats d'expériences différentes pose la question des corrélations. Bien entendu, combiner différentes expériences permet d'augmenter le volume de données, et donc d'augmenter la statistique, mais l'effet final de cette augmentation de données ne se traduit pas par un simple empilement des déviations standard. C'est pourquoi je préfère ne pas m'aventurer à donner un chiffre qui serait faux.

Enfin, il faut savoir que si en l'absence de signal combiner des données de différentes expériences est bénéfique car cela permet de mieux contraindre les modèles théoriques, c'est une chose que l'on cherche à éviter lorsque l'on veut parler de découverte.

En effet, une découverte en physique des particules est considérée comme solide lorsque au moins deux expériences indépendantes (ici Atlas et CMS) l'annoncent, ceci afin d'éviter des biais systématiques éventuels dus aux détecteurs. C'est d'ailleurs pour cela que le LHC en 2012 va fonctionner à une énergie de 8 TeV au centre de masse, cela permettra aux deux expériences de pouvoir annoncer d'ici à la fin de l'année, de manière indépendante, une découverte du boson de Higgs, si toutes ces indications intéressantes que nous avons se confirment.

Les mesures faites au LHC avec Atlas et CMS ne sont-elles pas finalement favorables à l'existence d'un Higgs supersymétrique ?

Julien Baglio : Ce qui est sûr c'est qu'un Higgs en dessous de 135 GeV, et probablement avec une masse de 125 GeV, est compatible aussi bien avec le modèle standard qu'avec la supersymétrie. On a pensé un moment que ce que l'on voyait au LHC pouvait être l'indication d'un Higgs vraiment non standard car le signal enregistré semblait trop élevé pour un boson de Higgs standard et je peux vous assurer que c'était champagne assuré parmi les collègues si cet excès avait été confirmé ! Mais les derniers résultats ne semblent pas confirmer cette hypothèse. On en saura probablement plus avant la fin de l'année 2012. La tension et l'excitation continent de monter dans cette quête fascinante des plus petits constituants de l'univers !

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