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De nouvelles limites pour la masse du boson de Higgs

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La masse du boson de Higgs n'est pas fixée par le modèle standard mais les expériences réalisées avec le collisionneur du Fermilab, le Tevatron, viennent de poser de nouvelles limites sur la valeur de cette particule mythique. Elles sont plutôt favorables aux théories supersymétriques.

Peter Higgs posant devant les équations décrivant son boson. Crédit : resonaances.blogspot.com

De prime abord, il semble paradoxal que la particule censée expliquer la masse de toutes les autres particules de l'Univers, comme les électrons et les quarks, ne possède pas elle-même une masse complètement caractérisée par la théorie. C'est pourtant le cas.

Le boson de Higgs, la dernière pièce manquante du modèle standard, ne peut en effet pas trouver ni d'explication ni de valeur précise dans le cadre de la théorie électrofaible jointe à la chromodynamique quantique. En revanche, on s'attend à ce que des contraintes théoriques et son existence elle-même découlent de théories plus vastes comme la supersymétrie ou la théorie des cordes. Certaines de ces contraintes sont connues mais la physique est avant toute chose une science expérimentale et les physiciens des hautes énergies n'ont pas attendu la mise en service du LHC pour poser des bornes à la masse du Higgs.

En effet, cette dernière intervient dans des processus que l'on peut déjà tester depuis presque vingt ans grâce à des réactions faisant intervenir les bosons W et le quark top. C'est ainsi que les expériences menées au LEP et actuellement au Tevatron nous renseignent déjà sur la masse du boson de Higgs, même en l'absence d'une production et d'une observation directes.

Ainsi, les expériences du LEP, principalement, ont permis de déterminer un intervalle où doit se trouver avec une bonne probabilité la masse du boson de Higgs : entre 114 et 185 GeV/c2, (ou GeV, unité souvent employée, et justifiée si l'on considère que c = 1).

Cliquer pour agrandir. Une vue aérienne du Fermilab et des deux anneaux enterrés du Tevatron. Crédit : Fermilab

Il existe plusieurs réactions capables de créer le boson de Higgs lors de collisions entre particules élémentaires et lui même peut se désintéger en d'autres particules selon plusieurs canaux de désintégrations, comme on dit dans le jargon des physiciens. Les probabilités associées à ces derniers dépendent de la masse du Higgs et il se trouve qu'il est plus facile de produire et de détecter un boson de Higgs lourd qu'un boson de Higgs léger. C'est pourquoi les expériences CDF et D0 du Fermilab permettent d'explorer en premier la partie haute de l'intervalle de masse du boson de Higgs.

Une masse de mieux en mieux cernée

D'un point de vue théorique, ce genre de travail est intéressant à plus d'un titre. En effet, la physique du modèle standard concernant le boson de Higgs est problématique pour plusieurs raisons. L'un des moyens les plus puissants et les plus élégants de résoudre ces problèmes et d'introduire dans la théorie une extension naturelle des symétries de l'espace-temps comme l'invariance de Lorentz de la relativité restreinte. Il s'agit de la supersymétrie. Or, cette dernière ne semble naturellement autoriser au boson de Higgs qu'une masse inférieure à 140 GeV.

Ce n'est pas tout, le grand mathématicien et médaille Fields Alain Connes avait proposé une brillante théorie expliquant la masse du boson de Higgs en supposant que la structure de l'espace-temps est basée sur les équations de la géométrie non-commutative dont il est l'un des grands découvreurs.


Cliquer pour agrandir. En vert, les masses exclues pour le boson de Higgs depuis les expériences du LEP et en orange la nouvelle zone exclue par les détecteurs du Tevatron. Crédit : Fermilab

Les expérimentateurs se sont donc concentrés sur cette partie haute et ont récemment réfuté la théorie d'Alain Connes, prédisant de façon plutôt stricte une masse du Higgs à 170 GeV. Aujourd'hui, ils font encore mieux et excluent, toujours avec une assez bonne probabilité, l'intervalle 160 à 170 GeV.

Deux publications sur arxiv, une pour chacune des expériences du Tevatron, exposent les résultats des mesures des chercheurs à ce sujet. La messe n'est pas encore dite mais il semble que les observations en faveur de l'existence de la supersymétrie viennent de prendre encore un peu plus de poids si l'on en croit les analyses de John Ellis. Cependant, les avis des prix Nobel restent partagés sur cette question, même si tous semblent d'accord pour dire que l'existence du boson de Higgs est très probable.

Le Tevatron, quant à lui, continue à fonctionner au-delà des espérances et il ne semble plus exclu que la machine poursuive son travail dans les années à venir, au-delà de sa date de fermeture prévue. Un boson de Higgs léger tend aussi à favoriser une observation du boson de Higgs au Tevatron avant le LHC.

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