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Reportages

L'heure de vérité pour le boson de Higgs

Par Marine Corniou - 25/05/2012
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Sous le soleil printanier de Genève, au Centre Européen pour la Recherche Nucléaire (CERN), la physicienne Pauline Gagnon ne cache pas son enthousiasme. «Je suis convaincue que le boson de Higgs est là», dit-elle en dessinant sur un bout de papier la courbe qui crée depuis six mois tant de remue-ménage chez les physiciens. En décembre dernier, c’est ici, à 100 m sous terre, au sein du plus grand accélérateur de particules du monde, que le «Higgs» aurait montré le bout de son nez.

Certes, la particule tant convoitée ne s’est pas dévoilée suffisamment pour qu’on puisse affirmer qu’elle existe, mais les résultats enregistrés à Genève ont fait grand bruit. Et pour cause! Ils pourraient annoncer la fin d’une «traque» qui dure depuis 50 ans. Sur la courbe dessinée par Pauline Gagnon, c’est une petite bosse, en apparence insignifiante, qui crée tout ce buzz. C’est elle qui témoignerait de la présence du fameux boson. «En physique des particules, tout est une question de statistiques. Ce qu’on a observé, c’est un excès de signaux qui paraissent trop nombreux pour être dus au hasard», résume la physicienne aux yeux pétillants. Originaire de Chicoutimi, elle travaille au CERN depuis 20 ans. Elle est aujourd’hui rattachée au projet ATLAS, l’une des deux expériences du CERN qui pourraient conduire à la révélation tant attendue.

Si on lui court ainsi après, c’est que le mystérieux boson de Higgs est la pièce cruciale de la physique actuelle, celle qui explique la construction et le fonctionnement de l’Univers. Et aussi bizarre que cela puisse paraître, il n’a jamais été observé en laboratoire. Contrairement à toutes les autres particules élémentaires, son existence reste purement hypothétique. Mais plus pour longtemps…

Tout semble en effet laisser croire que l’existence (ou la non-existence) du boson de Higgs pourrait être annoncée en juillet à Melbourne, en Australie, à l’occasion de la XXXVIe conférence sur la physique des hautes énergies.
«Depuis plus de un an, nous travaillons d’arrache-pied, soirs et fins de semaine compris, pour accumuler les données. C’est un moment fou, unique dans la carrière d’un physicien», s’exclame Yves Sirois. Ce chercheur québécois établi en région parisienne est porte-parole pour la France de CMS, l’expérience concurrente d’ATLAS. Visiblement confiant, le physicien, rencontré à Montréal, ne dévoilera pourtant rien avant l’heure. «Les résultats publiés jusqu’ici ne sont pas encore assez probants pour pouvoir conclure qu’on a “vu” le Higgs, mais ils donnent envie d’y croire», avance-t-il avec prudence.

Si la fébrilité est palpable chez les amoureux du Higgs, pour les non-initiés, il est difficile de comprendre l’objet de tant d’effervescence. Afin de tenter d’y voir clair dans ce monde de particules et d’obscurs calculs, revenons à la base. Qu’est-ce que le boson de Higgs? Et comment peut-on le «voir»?

Pour décrire notre Univers, les physiciens utilisent le «modèle standard», une théorie élaborée dans les années 1960, selon laquelle la matière est constituée de particules élémentaires (les quarks et les électrons), qui interagissent entre elles par le biais de forces. Ces forces  sont elles-mêmes véhiculées par des particules messagères, appelés bosons, dont le plus connu est le photon, ce «grain» de lumière qui trans­met la force électromagnétique.
Jusqu’ici, tout va bien. Cette théorie, qui est née sur papier sous forme d’équations mathématiques, s’est en effet révélée étonnamment exacte. Toutes les particules qu’elle a «prédites» ont pu être observées expérimentalement par la suite, au sein de divers accélérateurs dans le monde.

Mais ce modèle a son talon d’Achille. «Selon les équations mathématiques initiales, les particules sont censées être dépourvues de masse. Or, les mesures expérimentales ont démontré que, à l’exception du photon, les particules ont bel et bien une masse, explique Pauline Gagnon. Par exemple, on a mesuré que le quark top était 350 000 fois plus lourd que l’électron.»

Plutôt que de jeter le modèle standard à la poubelle, plusieurs chercheurs, dont l’Écossais Peter Higgs et les Belges François Englert et Robert Brout, ont décidé en 1964 d’en colmater la brèche. Leur idée? «Inventer» un curieux mécanisme, le champ de Higgs, qui permettrait à ces particules sans masse d’en acquérir une. Une sorte de champ de force, un peu comme le champ gravitationnel, qui serait présent partout autour de nous. «Le champ de Higgs peut être comparé à de la mélasse étalée dans l’Univers. Les particules de matière sont ralenties par cette mélasse, ce qui donne l’impression qu’elles ont une masse», résume Yves Sirois.

Pour expliquer ce mécanisme, David Miller, physicien au University College London du Royaume-Uni a utilisé en 1993 cette analogie devenue célèbre: «Imaginez une soirée, où tous les invités seraient répartis uniformément dans la pièce. Soudain, une célébrité arrive. Comme de nombreuses personnes souhaitent lui parler et se pressent autour d’elle, cela ralentit son mouvement dans la pièce, donnant l’impression qu’elle a plus de mal à se déplacer, et donc qu’elle est plus massive qu’un visiteur quelconque.»

Dans le monde des particules, c’est la même chose. Les invités – les bosons de Higgs – forment le champ de Higgs, et la célébrité représente une particule. Les différentes célébrités qui traversent la pièce paraissent plus ou moins massives, selon leur popularité, et donc selon leur degré d’interaction avec le champ. Le photon, qui n’a pas de masse, n’interagit pas avec le champ de Higgs. En revanche, les bosons Z et W, ou le quark top, qui sont très lourds, s’y engluent littéralement.

C’est bien beau, mais pour prouver l’existence de ce champ, il faudrait «photographier» un boson de Higgs. Et c’est là que les choses se compliquent! En 47 ans, personne n’y est jamais parvenu. Il faut dire que ce safari-photo nécessite des outils puissants, dont les physiciens ne disposent que depuis peu. À Genève, le Grand collisionneur de hadrons (LHC), mis en service fin 2008, a justement été conçu pour pouvoir détecter le Higgs sans savoir vraiment à quoi ressemble la bête. On ne connaît pas sa masse, mais on sait qu’il est très instable, c’est-à-dire qu’il ne survit pas en tant que tel. À peine créé, il se désintégrerait en d’autres particules plus stables, comme des photons ou des bosons W. Impossible, donc, de le photographier directement dans les détecteurs du LHC, comme on photographie les électrons.

La seule solution? Essayer de repérer les produits de sa désintégration. «Lorsqu’on met une pièce de 1 $ dans une machine pour obtenir de la monnaie, on peut se retrouver avec 4 pièces de 25 ¢, ou 10 pièces de 10 ¢. Pour le Higgs, c’est pareil. On sait qu’il peut se désintégrer en différentes “associations” de particules, appelées canaux de désintégration», indique Pauline Gagnon. C’est cette «monnaie» que les chercheurs essaient de voir dans les détecteurs, après avoir généré – du moins ils l’espèrent – des bosons de Higgs. En fonction de la monnaie repérée, ils pourront déduire la masse du Higgs; et prouver son existence.

Pour produire ces bosons éphémères, la recette est connue. Dans le LHC, on lance l’un contre l’autre deux faisceaux de protons à une vitesse proche de celle de la lumière afin de les faire entrer en collision frontale (voir l’encadré en page 20). Ces collisions libèrent une énergie phénoménale et donnent naissance à de nouvelles particules qui sont captées par les détecteurs ATLAS et CMS. «Lorsqu’on écrase deux fraises l’une contre l’autre, on obtient du jus de fraise. Dans le monde des particules, lorsqu’on écrase deux protons l’un contre l’autre, on obtient de nouvelles particules, parmi lesquelles – peut-être – des bosons de Higgs qui, eux-mêmes, se désintègrent. Comme si la collision de deux fraises donnait naissance à du jus de bananes, de kiwis, etc.», a expliqué le physicien Rob Fraser, du Fermilab, dans l’Illinois, lors d’une conférence donnée à Vancouver, au congrès de l’American Association of Advanced Science (AAAS), en février dernier. «Chaque collision est comparable à un feu d’artifice, explique de son côté Yves Sirois. On identifie les différentes détonations, pour savoir que telle ou telle fusée vient d’éclater. On reconstruit ainsi le scénario des désintégrations.»

Repérer des traces du Higgs dans l’immense feu d’artifice capté par ATLAS et CMS relève toutefois de l’exploit! Car la production de ces bosons survient rarement. En 2011, parmi les quelque 400 000 milliards de collisions enregistrées par ces deux détecteurs, seule une dizaine impliquant un possible Higgs ont été repérées.

«C’est la principale difficulté: le nombre de collisions est tellement élevé qu’il est difficile de détecter un événement intéressant parmi tout le bruit de fond», indique Yves Sirois. De plus, il est impossible de stocker et d’analyser toutes les données. Sur les 600 millions de collisions survenant chaque seconde, le système automatique de tri du détecteur ATLAS – censé reconnaître les collisions pertinentes grâce à des algorithmes complexes – n’en envoie que 200 au centre de calcul! Ce qui équivaut tout de même à deux DVD de données par minute.

Malgré toutes ces embûches, les 5  000 personnes qui travaillent sur les expériences ATLAS et CMS ont vu leurs efforts récompensés en décembre dernier. Sans s’être consultées, les deux équipes ont, chacune de leur côté, aperçu un signal pouvant être celui du boson de Higgs, laissant croire que sa masse serait comprise entre 124 GeV et 126 GeV (un GeV, ou gigaélectronvolt, est à peu près égal à la masse d’un proton).
Et ce n’est pas tout! Le 7 mars, deux équipes indépendantes du Tevatron, l’accélérateur de particules du Fermilab, ont créé la surprise en annonçant, elles aussi, un signal suspect, compatible avec celui observé au LHC, suggérant que la masse du Higgs serait comprise entre 115 GeV et 135 GeV.
«Cela signifie qu’on a maintenant quatre expériences indépendantes, dans deux accélérateurs et quatre canaux de désintégration, qui tendent vers les mêmes con­clu­sions. C’est vraiment encoura­geant», note Pauline Gagnon.

Malgré tout, il est trop tôt pour crier victoire. Après une pause requise pour l’entretien, le LHC tourne à nouveau à plein régime depuis le 14 mars, à des énergies jamais atteintes. L’objectif? Doubler ou tripler la quantité de données pour réduire le risque d’erreur à moins de 1 sur 1 million (contre environ 1 sur 200 actuellement). Ce qui devrait enfin permettre d’annoncer la découverte cet été (ou au plus tard à la fin de l’année) ou, au contraire, de tirer définitivement un trait sur la mystérieuse particule. «Si jamais nous arrivons à la conclusion que le Higgs n’existe pas, ce sera encore plus excitant, car il faudra réinventer toute la physique», affirmait en février Sergio Bertolucci, le directeur de recherches du CERN, lors du congrès de l’AAAS. Yves Sirois ne partage pas son avis. «Soyons honnête: si le boson de Higgs n’existe pas, ce sera un traumatisme considérable pour les physiciens, car il y aurait alors de terribles contradictions dans le modèle standard», estime-t-il.

Si les expériences CMS et ATLAS ne trouvent pas le Higgs autour de la masse de 125 GeV, le monde de la physique sera en effet plongé dans un épais brouillard. Faudra-t-il en conclure qu’il existe d’autres dimensions d’espace-temps, comme le postulent certains théoriciens travaillant sur un monde «sans Higgs»? Ou que le Higgs n’est pas celui qu’on croit? «Il est possible que le boson de Higgs se désintègre de façon inattendue, en particules invisibles dans les détecteurs», explique Pauline Gagnon. Autrement dit, en particules de matière noire, cette matière qui constituerait 23% de l’Univers, mais que l’on n’a encore jamais vue non plus.

Car même si l’on découvre le Higgs cette année, il restera beaucoup d’énigmes à résoudre. «Le modèle standard n’explique pas quelle est la nature de la matière noire ni pourquoi certaines particules sont plus lourdes que d’autres, ou pourquoi le photon n’a pas de masse», ajoute la physicienne, dont une des missions est justement de traquer les éventuelles particules de matière noire.

Voilà qui nous rassure: que le Higgs existe ou non, les physiciens ne s’ennuie­ront pas. Ils continueront à avoir du pain sur la planche pour comprendre les origines de l’Univers et son fonctionnement pendant bien des années.

Photo: CERN

Lumière sur la «nouvelle physique»

Découvrir le boson de Higgs devrait permettre de résoudre une énigme majeure en physique, celle de l’origine de la masse des particules. Mais le programme de recherche du Grand collisionneur de hadrons (LHC) est beaucoup plus ambitieux. Il vise à combler les lacunes du modèle standard qui n’intègre pas la force de gravitation (elle est exclue des équations) et qui ne permet pas d’expliquer toutes les observations expérimentales.
Les physiciens espèrent notamment que le LHC les aidera à identifier la nature de la matière noire, et à vérifier l’existence d’une théorie appelée supersymétrie (SUSY pour les intimes) qui règlerait une fois pour toutes les problèmes du modèle standard.
SUSY permettrait notamment d’unifier les particules d’interaction (les bosons) et celles de matière (les fermions), en postulant l’existence, pour chaque particule, d’un «superpartenaire» plus massif. Par exemple, il existerait un «photino» (fermion associé au photon), six «squarks» (bosons associés aux quarks), des «gluinos» associés aux gluons, et ainsi de suite. Chaque boson pourrait se transformer en fermion, et réciproquement. Et selon cette théorie, il existerait en tout cinq bosons de Higgs… Difficile de ne pas perdre le fil! «Ainsi, les particules lourdes se voient associer une super-particule légère, et vice-versa. Cela donne un monde beaucoup plus équilibré et cela élucide l’étrange disparité dans la masse des particules élémentaires, qui vont de l’ultralégère à la super lourde», résume Pauline Gagnon. Ces particules supersymétriques (du moins, la plus légère d’entre elles) seraient des candidates idéales pour constituer la matière noire.
«Mais pour l’instant, le LHC n’a pas vu la trace de ces superpartenaires, ce qui commence à être inquiétant», avertit Yves Sirois. Attendons donc d’en avoir le cœur net avant d’essayer de comprendre!

Le LHC, une machine à big-bang

«Le champ de Higgs serait apparu 1 millième de milliardième de seconde après le big-bang. À ce moment, la température de l’Univers était suffisamment froide (40 millions de milliards de degrés
tout de même!) pour que ce champ apparaisse, un peu comme des plaques de glace se forment à
la surface d’un lac», explique Yves Sirois. Pour étudier le boson de Higgs, il faut donc recréer les conditions qui régnaient dans l’Univers juste après le big-bang, il y a 14 milliards d’années. C’est justement l’ambition des opérateurs du Grand collisionneur de hadrons (LHC) du CERN, la plus grande machine scientifique jamais construite, sur laquelle travaillent (sur place et à distance) près de 10 000 physiciens de plus de 80 pays.
Pénétrer dans l’antre du CERN est en soi une expérience internationale! Les physiciens et les étudiants, de toutes origines et parlant toutes les langues, y côtoient des groupes de touristes venus «admirer» les salles de contrôle des différentes expériences. Dans celle d’ATLAS, derrière une baie vitrée, des dizaines d’écrans permettent aux opérateurs de s’assurer que le détecteur fonctionne correctement. On ne verra toutefois rien de plus. La machine venant d’être remise en route, il est impossible de descendre dans une des quatre «cavernes» où se situent les détecteurs. Le LHC est en fait un tunnel circulaire de 27 km de longueur (comprenant deux anneaux concentriques de 10 cm de diamètre), creusé à 100 m sous terre, autour duquel sont installés plus de 9 000 aimants. Le champ magnétique généré par les aimants permet de faire circuler des protons dans les anneaux, dans des sens opposés. À pleine puissance, des trillions de protons, lancés à 99,9999991% de la vitesse de la lumière, effectuent 11 245 fois le tour de l’accélérateur par seconde! Les deux faisceaux de protons entrent en collision frontale au niveau des détecteurs ATLAS et CMS, deux énormes dispositifs (de 20 m à 46 m de longueur et de 15 m à 25 m de hauteur) permettant de mesurer la charge et la masse des particules émises lors des collisions.
«CMS et ATLAS sont placés à deux points opposés de l’anneau. Ces détecteurs permettent d’étudier la même chose, mais avec deux technologies différentes, explique Yves Sirois. Les deux équipes sont en compétition, mais devraient arriver aux mêmes conclusions en même temps!»

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