Peter Higgs contemplant le détecteur CMS au LHC. Crédit : Maximilien Brice-Cern

Sciences

Boson de Higgs, supersymétrie, théorie des cordes au LHC pour 2010 ?

ActualitéClassé sous :physique , cern , lhc

-

Il y a presque un mois, le LHC partait enfin à la recherche du boson de Higgs et de signatures d'une physique au-delà du modèle standard en étudiant les produits des collisions entre deux faisceaux de protons à des énergies de 7 TeV. Ce fut l'occasion pour Futura-Sciences de demander à deux des chercheurs alors présents au Cern, Jessica Leveque et Alexandre Zabi, quelles étaient selon eux les perspectives de découvertes pour l'année 2010 et au-delà.

C'est la troisième fois que je me retrouve au Cern en moins de deux ans. Il faut dire que les grands événements s'y multiplient... Il y eut d'abord la journée historique des premiers faisceaux du LHC, le 10 septembre 2008. A l'époque, beaucoup, sans doute, pensaient que les premières collisions se produiraient dans les semaines suivantes et que la machine la plus complexe du monde pourrait enfin explorer de nouveaux plans de la structure du Cosmos au cours de l'année 2009. On sait qu'il n'en fut rien en raison de l'accident dû à des connexions défectueuses entre des aimants supraconducteurs qui se produisit peu de temps après, contraignant les chercheurs à réexaminer le LHC et à revoir le calendrier des expériences.

Le début de décembre 2009 fut aussi un grand moment en raison de la présence au Cern de plusieurs des architectes du modèle standard des particules élémentaires. Pas moins de 12 prix Nobel de physique étaient en effet réunis pour les 50 ans du Proton Synchroton (PS). Les happy fews présents pouvaient alors côtoyer sans problème des expérimentateurs de la classe de Leon Lederman ou des théoriciens de génie comme Geradus 't Hooft.

Le 30 mars 2010 promettait lui aussi d'être un jour à marquer d'une pierre blanche. Le LHC allait produire des collisions à des énergies encore jamais atteintes et le Large Hadron Collider allait enfin servir à ce pour quoi il avait été conçu : faire de la physique des particules élémentaires.

Peut-être d'ailleurs ne se limitera-t-il pas à cela. Depuis 40 ans, les liens entre physique de l'infiniment petit et physique de l'infiniment grand ne cessent de se resserrer. A défaut de recréer le Big Bang, les collisions du LHC vont recréer certains des processus physiques entre particules élémentaires et champs quantiques s'étant produits moins d'un milliardième de seconde après le début de l'Univers observable, il y a presque 13,75 milliards d'années, comme nous l'a récemment appris WMap.

Etrange sensation que de se retrouver poussières d'étoiles et au bout du processus évolutif d'une biosphère, prêt à se pencher sur les forces et les énergies à l'œuvre au début du monde, avant que n'existent ni galaxies, ni étoiles et pas même des atomes. D'inévitables questions philosophiques traversent mon esprit qui me ramènent au colloque de Lyon pendant lequel des cosmologistes, des physiciens et des philosophes se sont rencontrés en octobre 2009.

Nous somme plusieurs à nous trouver sur place vers 6 heures du matin. Les choses se présentaient tellement bien que la veille au soir, les physiciens et ingénieurs du LHC nous avaient prévenu que les premières collisions pouvaient se produire dès 7 heures. A notre arrivée, on nous apprend qu'il faudra en fait patienter probablement deux heures.

J'ai suffisamment suivi, les jours précédents, l'état des faisceaux en direct sur le site du Cern pour savoir que ce genre d'incident est normal...mais pour deviner aussi que les collisions ne se produiront pas avant au moins le double du temps estimé.

Jessica Leveque devant une photo du détecteur Atlas à l'intérieur du batiment abritant sa salle de contrôle. Crédit : Laurent Sacco, Futura-Sciences

Une visite à Atlas

Quoiqu'il arrive, des navettes sont à la disposition des invités pour se rendre dans les bâtiments abritant les quatre expériences principales du LHC. Ayant déjà visité Alice en 2008, je décide de me rendre dans le batiment surplombant la caverne d'Atlas. Sur place, il est possible de discuter avec plusieurs des chercheurs engagés dans les expériences. Je fais ainsi la connaissance de Jessica Leveque.

Cette physicienne du CNRS est en poste au Centre de physique des particules de Marseille (CPPM). Son sujet de thèse portait sur la détection du boson de Higgs avec le détecteur Atlas et elle a effectué un postdoc aux Etats-Unis, où elle a travaillé sur la physique du quark top au Tevatron.

Interrogée sur la perspective de découvrir rapidement le Higgs au LHC, elle me répond qu'il est difficile de donner une date précise, même si certains pensent que ce ne sera pas possible avant 2012. Cela peut sembler étrange étant donné que le LHC est en mesure de faire des collisions à des énergies qui sont non seulement supérieures à celle du Tevatron mais aussi à celles que l'on peut associer à l'ensemble des masses possibles du boson de Higgs... Mais il n'en est rien.

En effet, le taux de production d'un boson de Higgs, lors de collisions entre protons, est vraiment très faible. Il faut donc réaliser un très grand nombre de collisions par seconde pour avoir la chance d'en observer un en un temps plus court que celui d'une vie humaine.

Découvrir le boson de Higgs n'est donc pas simplement une question d'obtention d'une énergie suffisamment élevée pour des faisceaux de particules mais aussi de ce que les physiciens appellent dans leur jargon la luminosité des faisceaux.

Le concept de luminosité n'est pas difficile à saisir. On peut le voir comme l'intensité d'un courant, d'un flux de particules traversant une surface donnée. De la même façon qu'une pause pour obtenir une image nette doit être d'autant plus longue que la lumière et le flux de photons est plus faible, on comprend que découvrir de façon indubitable un signal net lié à l'existence du boson de Higgs nécessite une luminosité pour les faisceaux de protons la plus élevée possible.

Dans le cas du Tevatron, dont la luminosité est pourtant très grande, le temps de pause, le temps d'accumulation d'une statistique suffisante toujours dans le jargon du métier, n'a pas encore permis d'obtenir une image trahissant l'existence du boson de Higgs. A terme, le LHC sera capable de performances supérieures à celles du Tevatron. On peut même dire qu'il a été conçu précisément pour découvrir le boson de Higgs, mais, pour le moment, sa luminosité est encore bien faible.

La masse du Higgs, MH, est inconnue. On pense qu'elle devrait se situer entre 115 et 200 GeV pour diverses raisons expérimentales et théoriques. Il peut se désintégrer selon différents canaux de désintégration qui dépendent de sa masse. On voit ainsi sur ce schéma que dans l'intervalle d'énergie précédent, les probabilités de désintégration en paires de bosons (WW) ou de quarks ( b-b barre) dominent. Malheureusement, les désintégrations les plus fréquentes ne sont pas nécessairement celles les plus faciles à extraire du bruit de fond des autres particules produites lors des collisions, ce qui complique singulièrement la mise en évidence du boson de Higgs. Crédit : A. Djouadi, J. Kalinowski, M. Spira

Combien pèse un Higgs ?

Deux paramètres doivent être pris en compte pour estimer en combien de temps le boson de Higgs pourrait être découvert...et ils sont tous les deux inconnus !

Le premier est la masse du boson de Higgs. Selon sa valeur, certaines réactions de désintégrations sont plus probables que d'autres mais elles peuvent aussi être plus difficiles à observer car le bruit de fond de production d'autres particules connues peut noyer le signal. On sait ainsi que, paradoxalement, un Higgs léger, de l'ordre de 120 à 130 GeV, est plus difficile à découvrir qu'un Higgs de plus de 150 GeV. Le second est lié au LHC lui-même. Combien de temps faudra-t-il pour qu'il fonctionne avec une luminosité importante ? Si elle reste faible durant des mois, une possible découverte de la particule de Peter Higgs sera retardée d'autant.

Jessica Leveque m'explique aussi que pendant plusieurs mois encore, le LHC ne fera que redécouvrir les particules du modèle standard (MS).

C'est une étape nécessaire car, devant la complexité de détecteurs comme Atlas ou CMS, il faut s'assurer qu'ils fonctionnent bien et sont capables de mesurer, avec toute l'exactitude nécessaire, les masses et les charges des particules pour en permettre l'identification. Faute de quoi, des biais pourraient s'introduire, faisant croire, faussement, à la découverte de nouvelles particules. Ensuite seulement, les chercheurs pourront partir vraiment à la recherche d'une nouvelle physique au-delà du modèle standard.

L'hypothétique boson Z'

La physicienne elle-même se concentre depuis quelque temps sur une physique exotique bien particulière, celle des bosons Z’, des cousins du boson Z du modèle des interactions électrofaibles de Glashow-Salam-Weinberg.

En fait, l'existence d'une particule analogue au boson Z' et même capable, dans certains cas, de se coupler au boson Z, émerge naturellement d'un très grand nombre de modèles faisant intervenir une physique au-delà du modèle standard. Jessica Leveque mentionne en particulier le cas des extensions supersymétriques du modèle standard. Elle ajoute même qu'il est tout à fait possible qu'Atlas découvre un boson Z' dès 2010 !

C'est une possibilité vraiment fascinante car on ne trouve pas seulement des bosons de ce genre dans le cadre de simples extensions supersymétriques du modèle standard. Certains modèles de Grande Unification (GUT) faisant intervenir des groupes de symétries comme SO(10) ou E6, un cousin du très médiatique groupe de Lie E8, impliquent l'existence d'un boson Z ' dont la masse est de l'ordre du TeV.

Or, dans le cadre des théories de type GUT, et même des supercordes, faisant intervenir ces groupes de symétrie, la majorité des prédictions au-delà du MS faisaient plutôt intervenir de nouvelles particules à des énergies de l'ordre de 1016 et même 1019 GeV, clairement hors de portée du LHC avec ses 7.000 GeV actuels. Pour prendre toute la mesure de la taille de l'accélérateur qu'il faudrait construire pour sonder de pareilles énergies, il suffit de dire qu'il devrait avoir le diamètre de la Voie lactée, 100.000 années-lumière.

Comment voir des dimensions spatiales supplémentaires

Un boson Z' émerge aussi des théories introduisant des dimensions spatiales supplémentaires. Ce sont les mêmes types de théories qui autorisent l'existence d'une masse de Planck plus basse que 1019 GeV et donc permettent d'observer l'unification des forces de la nature et des manifestations de la gravitation quantique à des énergies aussi basses que celle du LHC. On peut même arguer qu'il serait plus naturel que la masse de Planck soit de l'ordre de quelques TeV.

Dans ce cas, l'existence de dimensions spatiales supplémentaires compactées, selon un schéma hérité des théories de Kaluza-Klein mais que l'on retrouve dans la théorie des supercordes, conduit à la possibilité de la création de mini-trous noirs au LHC. Ces dimensions supplémentaires impliqueraient aussi que toutes les particules du modèle standard peuvent posséder d'autres états d'énergies correspondant à leur masse.

On sait que les particules ont aussi un aspect ondulatoire et l'onde qui leur est associée doit se retrouver dans les dimensions spatiales supplémentaires où elles pourraient osciller selon différents modes comme ceux d'un instrument de musique. Si l'on cogne suffisamment fort deux particules, la partie de leur onde associée, piégée dans les dimensions supplémentaires, peut donc sauter d'un mode propre à un autre.

Dans un modèle simple de dimension spatiale supplémentaire, on a une quatrième dimension enroulée sur elle-même pour former un cercle de rayon R. Une particule quantique aura alors une composante d'impulsion P dans cette dimension qui est quantifiée à la manière d'une orbite d'électron dans un atome. Il apparaît alors une composante de masse supplémentaire dépendant d'un nombre entier N qui s'ajoute à celle de la particule dans sont état fondamental M0. On obtient une tour de masses de Kaluza-Klein, un spectre de masses, qui devient continu lorsque R tend vers l'infini. Crédit : Joseph Lykken

Ces modes ayant des énergies de plus en plus élevées, un électron ou un boson Z apparaîtraient alors avec des masses plus grandes. Le boson Z' serait alors un de ces états de masses du boson Z. Il existerait même ce qu'on appelle une tour d'états de Kaluza-Klein avec un large spectre de masse pour chaque particule du MS. Pour prendre une autre analogie, les particules du MS, avec les masses que nous leur connaissons, pourraient alors être comparées à l'état fondamental de l'atome d'hydrogène.

Partir à la chasse au boson Z' est donc une entreprise qui pourrait se révéler très gratifiante en peu de temps car s'il est suffisamment léger et facile à produire, c'est un bon moyen pour découvrir la supersymétrie, une théorie de GUT et même la théorie des cordes.

Une visite à CMS

Quelques heures après mes discussions avec Jessica Leveque, des collisions se produisent enfin vers 13 heures. Comme il n'est pas permis de pénétrer dans la salle de contrôle d'Atlas, sauf pour les membres de la collaboration, je finis par quitter le bâtiment pour rejoindre celui de l'expérience CMS . Là-bas, je découvre que tout comme dans le cas d'Alice, il est possible de pénétrer dans la salle de contrôle. C'est l'occasion de faire connaissance et de discuter avec un autre chercheur, Alexandre Zabi.

Chargé de recherches au CNRS, il est membre du Laboratoire Leprince-Ringuet (LLR) et, tout comme Jessica Leveque, il a travaillé au Tevatron où il était parti à la chasse aux leptoquarks. Ces particules hypothétiques émergent de certaines théories, comme les GUT, qui permettraient aux quarks de se convertir en leptons et vice-versa.

Toutefois, c'est plutôt la recherche du boson de Higgs qui le préoccupe aujourd'hui. Pour lui, sa découverte ne devrait être possible qu'à l'horizon 2012 et pas avant.

Alexandre Zabi dans la salle de contrôle de CMS le 30 mars 2010, quelques collisions dans CMS sont bien visibles sur les écrans de contrôle. Crédit : Laurent Sacco, Futura-Sciences

Le chercheur est cependant tout sourire et il me montre les résultats des premières analyses des collisions réalisées à partir des données collectées par CMS. Il s'agit de la reconstitution de la masse d'une particule à partir de la mesure des énergies des deux photons en laquelle cette dernière peut se désintégrer.

Cette particule, bien connue du modèle standard, ressemble un peu au boson de Higgs, une particule neutre décrite par un champ scalaire ; c'est un pion. Le Higgs lui-même peut se désintégrer en deux photons, mais ces derniers sont bien plus énergétiques et l'on aurait tort de croire que la mise en évidence du Higgs soit aussi facile que celle d'un pion neutre.

En raison des lois de la mécanique quantique, une particule instable n'a pas une masse rigoureusement définie (inégalité de Heisenberg temps-énergie). Lorsqu'un pion se désintégre en donnant deux photons, la mesure de leurs énergies par le détecteur CMS permet de remonter à sa masse. Les paires de photons mesurées donnent donc une courbe (bleue) centrée sur la masse d'un pion neutre la plus probable lors d'une mesure, qui est ici d'environ 0,116 GeV. Crédit : CMS-Cern

Une prochaine révolution en physique ? Pas tout de suite...

Le pion neutre, encore appelé pi0, est un état lié de deux quarks, c'est le fameux boson de Yukawa. Ces quarks sont liés l'un à l'autre par la force nucléaire forte décrite par la QCD. Il est intéressant de noter que plusieurs physiciens ont proposé, quelques décennies en arrière, que le boson de Higgs soit lui aussi un état composite de deux particules : des techniquarks.

Ils seraient liés par une nouvelle force forte ressemblant à celle de la QCD et qui serait visible lorsque l'on monte à des énergies de l'ordre de celle du LHC. Cette interaction hypothétique est postulée dans le cadre des théories dites de technicouleurs.

Pour Alexandre Zabi, le fait que CMS soit capable de redécouvrir le boson de Yukawa et de déterminer sa masse avec une excellente précision en moins d'une heure est non seulement impressionnant mais aussi de très bon augure. En effet, comme il me l'explique, un tel résultat aurait pris des mois il y a encore quelques années avec les autres machines. « La phase de calibration du détecteur CMS consistant à vérifier qu'il est bien en mesure de redécouvrir la physique connue du modèle standard s'annonce bien, explique-t-il. Elle durera quelques mois, tout comme dans le cas d'Atlas. »

L'une des réactions qui intéressent Alexandre Zabi est celle de la production d'une paire de bosons Z qui se désintègrent ensuite chacun en des paires d'électrons-positrons. Ce genre de réaction peut constituer une signature assez nette qu'un boson de Higgs a été produit et qu'il s'est désintégré en donnant deux bosons Z. D'autres réactions dans le modèle standard peuvent cependant donner une telle paire sans la production d'un Higgs comme intermédiaire de réaction.

Interrogé sur la possibilité de découvrir de la physique exotique au-delà du modèle standard avec CMS au cours de l'année 2010, le chercheur répond que la mise en évidence d'un boson Z' est une possibilité très sérieuse, ainsi que celle des particules supersymétriques ou de signatures de dimensions spatiales supplémentaires.

Se pourrait-il donc, qu'en ce moment même, ou dans les semaines à venir, certaines de ces particules soient produites dans les collisions, bien qu'en trop faible nombre pour pouvoir conclure à une découverte avant plusieurs mois ?

Pour le physicien, un tel événement est très peu crédible et il explique pourquoi : « La luminosité des faisceaux du LHC est encore très en dessous de celle qu'il faudrait pour avoir une chance non négligeable de produire des particules relevant de la physique exotique en quelques heures ».


Cliquer pour agrandir. Une estimation raisonnable des taux de production de certaine particules lorsque le LHC sera en régime de croisière. On voit que le Higgs est très difficile à produire, ainsi que certaines particules supersymétriques si elles sont lourdes. Crédit : Cern

Effectivement, en consultant plus tard des documents sur le sujet, j'ai découvert qu'à plein régime, on pourrait s'attendre à la création de quelques particules supersymétriques par heure dans un détecteur comme Atlas. Or, la luminosité des faisceaux pendant ces premiers jours d'avril 2010 est environ un million de fois plus faible. Quant au taux de production éventuel de mini-trous noirs, il serait encore plus faible que pour les particules supersymétriques.

Nul ne sait vraiment ce que découvrira le LHC, peut-être rien de plus que le boson de Higgs, ni combien de temps cela prendra. Mais il est certain qu'aucune révolution en physique n'adviendra dans les mois qui viennent...

Cela vous intéressera aussi