Les scientifiques ont découvert LA FORCE !

Suspens autour du Higgs : le 13 décembre 2011, en début d’après-midi, un séminaire du Cern sera retransmis sur la Toile. On est certain que la découverte de la fameuse particule... ne sera pas révélée. Mais il sera probablement question d’indices de son existence dans deux détecteurs du LHC. Avant cette annonce, révisons un peu ce sujet pour mieux comprendre ce qui se dira demain au Cern.
En cherchant à construire des équations décrivant des champs de forces entre particules de matière et respectant les lois de la mécanique quantique et de la théorie de la relativité, on a la surprise de constater que la forme générale de ces équations est très contrainte. Il faut que ces équations ressemblent à celles de l’électromagnétisme avec l’équivalent des photons. On voit aussi apparaître des sortes de généralisations de la charge électrique.

Avec ces équations, on s’aperçoit rapidement que si nous pouvons voir la lumière des plus lointaines régions de l’univers observable, en particulier celle des quasars et du rayonnement fossile, c’est parce que la masse du photon est nulle, ou tellement faible que nous n’avons toujours pas été capables de la mesurer.

Si nous ne sentons pas à notre échelle les « photons nucléaires forts » que sont les pions de Yukawa liant les protons et les neutrons dans les noyaux, ou les « photons nucléaires faibles » que sont les bosons W et Z qui interviennent dans la radioactivité et la physique des neutrinos, c’est parce qu’ils sont massifs et ne transmettent donc que des forces à courtes portées.

Malheureusement, si l’on essaie de construire l’analogue des équations de Maxwell pour ces « photons nucléaires faibles » (ce qu’on appelle des équations de Yang-Mills), le fait qu’ils doivent être massifs conduit à des problèmes mathématiques caractérisés par l’apparition de quantités infinies en théorie quantique des champs relativistes.

On peut se débarrasser de ces problèmes en introduisant un nouveau champ dont les quanta d’énergie sont, tout comme les photons, des bosons. Ce champ qui donne une masse aux photons nucléaires est décrit par ce qu’on appelle le mécanisme de Higgs. Son « photon » associé est donc le boson de Higgs et, au passage, rappelons qu'il n'a rien à voir, ni de près ni de loin avec la Force de Star Wars, comme certains le prétendent dans les médias actuellement...

Indirectement, cette particule apparaît dans plusieurs des calculs décrivant les interactions entre quarks et leptons dans le cadre du modèle standard des particules (MS), c'est-à-dire la chromodynamique quantique et la théorie électrofaible de Glashow-Weinberg-Salam. Le champ de Higgs joue également un rôle dans la détermination des masses des quarks et des leptons, c'est-à-dire, cette fois, les particules de matière du modèle standard.

D'une façon ou d'une autre, il doit effectivement exister quelque chose qui ressemble au mécanisme de Higgs donnant une masse aux particules du modèle standard. En effet, sa présence a déjà été plus ou moins testée indirectement avec le succès des calculs décrivant des réactions dans les collisions du LEP et du Tevatron.

Le boson de Higgs lui-même doit être massif, mais l’un des problèmes du modèle standard est que nous ignorons la valeur de sa masse et la façon dont il influence précisément les diverses réactions entre particules.

Plusieurs paramètres libres du modèle standard (19 pour être précis) proviennent, pour le moment, des expériences seules. C'est le cas notamment de la masse des électrons et des quarks. Si le Higgs existe bien, il devrait être possible de mieux comprendre (mais pas complètement) pourquoi ces paramètres ont ces valeurs. Avant la découverte des protons, électrons et noyaux, on ne savait pas d’où provenaient les masses et la diversité des éléments ni les énergies des réactions chimiques. Cette ignorance pointait vers une physique plus fondamentale. Pour la même raison, on peut penser qu'une théorie plus vaste se cache derrière les impressionnants succès du modèle standard.

De plus, bien que l’on ait rassemblé les forces électromagnétiques et nucléaires faibles en un seul système d’équations grâce au boson de Higgs, il reste à faire la même chose avec les forces nucléaires fortes et finalement la gravitation. Tout naturellement, on s’attend à ce que d’autres bosons de Higgs interviennent dans ces équations de Grande Unification (GUT et supergravité notamment).

Si on cherche à plonger le modèle standard dans une théorie plus vaste (comme la supersymétrie), la masse de son boson de Higgs et la façon dont elle influence les réactions entre les particules peuvent être mieux comprises. Dans certains cas, cela nécessite de changer un peu ce à quoi on doit s’attendre dans le cadre du modèle standard.

La morale de tout cela est qu’il peut exister plusieurs bosons de Higgs et que la plus simple description du mécanisme expliquant les masses du MS à l'aide d'un boson de Higgs standard, n’est peut-être pas la voie que la nature a choisie. Mais surtout, la découverte du Higgs peut ouvrir la porte à une compréhension plus profonde de la physique, à la racine de tout ce qui existe, des particules de nos neurones à la naissance même de l'univers.

Plusieurs réactions entre particules peuvent produire un boson de Higgs et celui-ci peut se désintégrer en plusieurs autres particules. Comme il est de règle en mécanique quantique, elles sont gouvernées par des lois de probabilités. En fonction de l’énergie des particules entrant en collisions et de la masse du Higgs, ses taux de production et de désintégrations selon divers « canaux », comme disent les physiciens des particules, sont différents (voir le schéma ci-dessous). Il a donc fallu réfléchir aux stratégies les plus efficaces pour produire et détecter le boson de Higgs.



Sur ce schéma sont montrées les importances relatives de certains canaux de désintégration du Higgs en fonction de sa masse éventuelle. On voit ainsi qu'entre 100 GeV et 150 GeV apparaît une bosse au niveau du le canal de désintégration à deux photons gamma (pointillé rouge). Au-delà de 200 GeV le canal caractérisé par la production d'un quark b et d'un antiquark b (courbe rouge) devient complètement négligeable devant ceux avec bosons Z ou W. Bien que ces deux canaux soient fortement favorisés par rapport à celui à deux photons vers 130 GeV, le signal en gamma est moins bruité que le signal en ZZ ou WW. C'est pourquoi, si le Higgs standard existe et a bien une masse entre 115 GeV et 140 GeV, les premiers indices de son existence seront ces photons gamma.

On en a ainsi déduit que les réactions les plus efficaces pour produire le boson de Higgs sont les collisions de protons ou d’antiprotons. Malheureusement, dans ce cas, plusieurs autres réactions se produisent, générant un bruit de fond noyant la délicate musique des désintégrations du boson de Higgs.

Toutefois, si l’on prend une analogie issue des transmissions de radio, il existe des bandes de fréquence où le bruit de fond est plus faible et où la musique du Higgs se fait plus forte. Selon sa masse, la bande où le chercher le plus efficacement ne sera donc pas la même.

On a joué à ce jeu au LEP au début des années 1990 à partir de collisions entre électrons et positrons. Le Tevatron a pris la suite en collisionnant des protons et des antiprotons. C'est maintenant au tour du LHC, où CMS et Atlas étudient les particules issues des collisions de protons. Lentement mais inexorablement, les bandes où chercher des signaux du boson de Higgs standard se sont réduites.

Si l’on devait prendre une analogie issue de l’astronomie, le boson de Higgs serait une étoile dont on ne connaîtrait pas très bien la courbe donnant l’intensité du rayonnement en fonction de la longueur d’onde. Même si la forme générale de la courbe est connue et que la physique de l’étoile l’est aussi dans les grandes lignes, on ne sait pas très bien si l’astre est le plus brillant dans l’ultraviolet ou l’infrarouge.

De plus, pour l’identifier, il faut disposer d’une bonne photographie, c'est-à-dire enregistrer le maximum de photons avec la meilleure résolution et donc faire une pose la plus longue possible. En physique des particules, cela revient à « augmenter la statistique », c'est-à-dire enregistrer un nombre suffisamment élevé d’événements avec un grand nombre de collisions.



En haut : Diagramme montrant la désintégration du boson de Higgs dans le canal avec deux photons gamma. Il semble qu'Atlas et CMS voient tous les deux des signes de ce mode de désintégration du boson de Higgs avec une masse similaire de l'ordre de 126 GeV.
En bas : Désintégration selon le canal des bosons Z. Il semble bien moins sûr que l'annonce de demain mentionne une telle signature du boson de Higgs.

Bilan actuel :

• si le boson de Higgs standard existe, il doit avoir une masse comprise entre 115 GeV et 140 GeV ;
  
• les canaux de désintégrations où il est le plus facilement mis en évidence sont ceux où il produit deux photons gamma, deux bosons W ou encore deux bosons Z qui se désintègrent à leur tour en leptons, comme l'électron, le muon ou le neutrino (et bien sûr leur antiparticules).
  

Pour être sûr qu'une découverte a vraiment été faite, il faut que le signal obtenu soit très différent de simples fluctuations statistiques. On peut faire l'analogie avec les formes qu'on se plaît à voir dans les nuages : aucune cause particulière autre que le hasard n'est alors à l'œuvre mais si on découvrait un nuage portant tous les détails d’une fresque de Raphael, on ne pourrait plus croire à un phénomène aléatoire. Pour éliminer le risque d'enregistrer un faux signal à cause d'une erreur de construction ou de conception d'un appareil (ce que les scientifiques appellent un biais systématique), on utilise deux instruments de mesure différents. Ce qui explique en partie pourquoi Atlas et CMS ont été construits. Voir deux signaux similaires dans deux détecteurs est donc bien plus convaincant, même en l'absence d'une statistique suffisante, pour confirmer une découverte.

Tout ceci explique l'importance du séminaire du 13 décembre 2011 au Cern, qui devrait annoncer non pas la découverte de la musique du boson de Higgs mais d'une mélodie faible noyée dans un brouhaha, dans la même bande de fréquence par deux « postes de radio » différents, à savoir Atlas et CMS. Un séminaire donc attendu impatiemment par toute la communauté de la physique des hautes énergies.

Les mailles du filet se resserrent autour d'une mystérieuse particule, le boson de Higgs, la pièce cruciale - encore manquante - du modèle standard de la physique. Certes, il échappe toujours à la traque menée dans le temple de la recherche internationale dans le domaine de l'infiniment petit, l'Organisation européenne pour la recherche nucléaire (CERN) de Genève. Mais les caches où il pourrait se dissimuler sont de plus en plus réduites.

Le directeur général de l'installation, Rolf-Dieter Heuer, et les responsables des deux principales expériences, Fabiola Gianotti (pour l'équipe d'Atlas) et Guido Tonelli (pour celle de CMS), devaient dévoiler, mardi 13 décembre après-midi, les résultats très attendus d'une année consacrée à tenter de percer les secrets de la matière. Leur espoir est de trouver le chaînon manquant qui permettrait de résoudre un des grands mystères de l'Univers : pourquoi les particules élémentaires ont-elles une masse ? Le responsable présumé est cet insaisissable boson, dit de Brout-Englert-Higgs (du nom des théoriciens qui ont postulé son existence), ou tout simplement de Higgs. Mais personne ne l'a encore jamais vu.

D'où la construction d'un microscope géant, le Large Hadron Collider (LHC), qui, depuis fin 2009, fracasse à grande vitesse des protons les uns contre les autres, dans un manège souterrain de 27 kilomètres de circonférence. Dans ce genre d'expérience, "voir" c'est en effet "détruire". Et, comme pour une orange pressée, les chercheurs espèrent faire sortir un pépin - le Higgs - de ces collisions à très haute énergie.

Ce pépin, les responsables des expériences Atlas et CMS ne l'ont pas encore observé. Mais, mardi, ils devaient confirmer les rumeurs qui circulaient ces derniers jours. Un "frémissement" de boson est apparu sur leurs écrans, indiquant une masse possible, pour cette particule furtive, de quelque 133 fois la masse du proton, soit environ 125 giga-électrons-volts (GeV) dans les unités utilisées en physique. Sur les courbes enregistrant les collisions, ce frémissement prend la forme d'une légère bosse.

Eurêka ? Pas encore. Trouver ce boson n'est pas comme découvrir la mâchoire d'un australopithèque dans des sédiments africains, ou une nouvelle molécule dans une éprouvette. Dans le monde de l'infiniment petit, les statistiques règnent en maître. Ainsi, les signaux détectés et attribués au Higgs auraient une chance sur 300 d'être le fait du hasard. C'est peu, mais encore bien trop pour sonner l'hallali. Cela suffit toutefois pour affirmer, en langage de physicien, que "la courbe d'exclusion n'exclurait pas le boson de Higgs à basse masse". Autrement dit, qu'il y a comme un pépin qui semble percer la peau d'orange, dans une fourchette de masse comprise entre 115 et 130 GeV.




Simulation du boson de Higgs au CERN.D.R.





Les chercheurs ne seront sûrs de leur fait que lorsque les lois statistiques leur diront qu'il existe moins d'une chance sur plus d'un million que le phénomène observé soit dû à un aléa expérimental. Pour ce faire, ils doivent, comme il en va pour les sondages, multiplier le nombre de collisions entre protons, donc le nombre possible d'apparitions d'un Higgs. On ne parle pas là d'un petit millier de "personnes interrogées", mais de millions de milliards de collisions. C'est dire si la chasse est délicate.

Pour l'ensemble de l'année 2011, sur quelque 400 000 milliards de collisions, une dizaine de sondés seulement ont répondu "oui" : une dizaine de chocs dans lesquels un boson de Higgs serait apparu avant de se désintégrer aussitôt en d'autres particules, repérées par les détecteurs CMS et Atlas. Pour atteindre le niveau de précision requis, il faudra tripler, voire quadrupler le nombre de collisions l'an prochain. Fonctionnant 24 heures sur 24, le LHC devrait atteindre ce niveau avant l'été. On saura alors sans doute définitivement si les signaux présentés mardi persistent et sont donc bien imputables au Higgs.

"Nous observons une mer bouillonnante et, de temps en temps, une vague passe au-dessus de la jetée. C'est une fluctuation qui ne nous intéresse pas. Nous devons descendre tout près de la surface de cette mer agitée pour trouver quelque chose qui sorte de l'ordinaire", image Yves Sirois (CNRS), de l'expérience CMS. Malgré toutes les données déjà accumulées, "nous restons prudents", souligne Daniel Fournier (CNRS), de l'expérience Atlas. Si finalement bosses et pics se dégonflent, les physiciens devront soit prendre encore plus de temps pour fouiller d'ultimes recoins mal explorés, soit se passer du Higgs pour expliquer la masse des particules.

Les idées ne manquent pas. Du reste, même avec une éventuelle découverte du boson de Higgs certifiée conforme aux canons de la rigueur scientifique, l'histoire ne s'arrêtera pas l'été prochain. Il faudra jauger la bête, la tester. Car sur le papier, plusieurs bosons existent. Certains portent une charge électrique, d'autres non. Ils peuvent interagir avec les autres particules plus ou moins fortement. Certains ne seraient même pas des particules élémentaires ! Ces "détails" sont fondamentaux pour poursuivre le chemin, encore inconnu, qui mène des énergies sondées actuellement jusqu'à celles qui régnaient aux débuts de l'Univers, lorsque tout n'était qu'une "soupe" de particules élémentaires extrêmement chaudes et agitées.

Quelles lois physiques régissent ces domaines d'énergie que le LHC commence à peine à sonder ? Telle est la quête dont le boson n'est que la première étape. En fonction des résultats de 2012, des choix seront faits, en concertation internationale, pour savoir quel type d'accélérateur-microscope sera nécessaire : un "bélier" avec des protons pour explorer des énergies toujours plus hautes, ou un scalpel très fin avec des électrons, pour décrire au mieux ce qui se passe déjà aux échelles d'énergie du LHC ? C'est le financement et la localisation de ces recherches qui seront alors peut-être un pépin.

Autour de 125 GeV : telle serait la masse du boson de Brout-Englert-Higgs, appelé couramment «boson de Higgs» ou «boson scalaire», avancée aujourd’hui par leschercheurs du CERN au vu des données collectées en 2011 par le LHC, le gigantesque accélérateur de particules enfoui sous la frontière franco-suisse. La découverte de cette particule mythique serait-elle imminente ? Possible, mais pas encore certain pour François Englert.

En 1964, le physicien belge François Englert et son compatrioteRobert Brout ont postulé les premiers l’existence du fameux boson, suivis peu de temps après par le Britannique Peter Higgs.



Sciences et Avenir : Les équipes des expériences Atlas et CMS au LHC viennent de proposer une valeur possible pour la masse du "boson de Higgs" au vu des données recueillies ces derniers mois [lire Le boson cerné au plus près]. Cela signifie-t-il que le boson de Higgs sera prochainement découvert?

François Englert : On peut le supposer, mais rien n’est encore certain. Le nombre d’événements observés au LHC ne permet pas encore de le dire, il faudra des observations complémentaires autour de cette valeur de masse. Et que va-t-on trouver au juste ? Car le boson de Higgs, ou «boson scalaire», est une manifestation du mécanisme dit de «brisure spontanée de symétrie» issu de la physique des solides que Robert Brout et moi-même, nous basant sur l’idée du physicien Yoichiro Nambu (prix Nobel 2008), avons appliqué à la physique des particules. Mais il est aussi le dernier composant manquant du «modèle standard», l’édifice théorique qui relie les particules et les forces connues. Par conséquent, la nature de cet objet n’a rien d’évident.
Photo: François Englert, (Université Libre de Belgique)


Qu’est-ce que le boson de Higgs et comment agit-il ?
Dans la nature, il existe des forces dites de «longue portée», parce qu’elles agissent entre objets quelle que soit la distance qui les sépare : la force électromagnétique, véhiculée par le photon, ou la gravitation. Et des forces de courte portée : l’interaction forte, qui assure la cohésion des noyaux d’atomes, et l’interaction faible, responsable notamment de la désintégration des éléments radioactifs. Au début des années 60, nous nous sommes demandé s’il était possible de transformer les premières en secondes. La réponse est oui à condition que quelque chose confère de la masse aux particules transmettant ces forces à longue portée. Dans le mécanisme de «Brout-Englert-Higgs», un champ envahit tout l’espace en transportant le boson scalaire. Ce dernier permettrait de transformer les forces à longue portée en forces à courte portée. Mais il pourrait par ailleurs donner leur masse aux constituants fondamentaux de la matière, comme les électrons ou les quarks, qui vont constituer les atomes. Dans le modèle standard, les deux possibilités sont liées.


Peut-on imaginer que le boson de Higgs ne soit pas découvert ?
Oui. Mais le mécanisme de Brout-Englert-Higgs n’en serait pas forcément invalidé. Il pourrait se réaliser via des bosons «non-élémentaires» formés d’autres particules élémentaires liées, encore inconnues, peut-être accessibles à une énergie plus élevée que celle mise en jeu au LHC. Au contraire, on pourrait découvrir plusieurs bosons scalaires, comme le propose une théorie baptisée «supersymétrie», qui implique beaucoup plus de particules que le modèle standard.


Quel regard portez-vous sur le chemin parcouru depuis que vous avez publié votre théorie, et sur les moyens mis en œuvre pour la vérifier ?
D’une manière générale, nous avons vécu des événements extraordinaires en physique au cours du XXème siècle. Le «modèle standard» a été vérifié avec une grande précision. Le boson scalaire en est la dernière pierre. Mais théorie et expériences ne permettaient pas de préciser sa masse. Il s’est avéré qu’elle n’était pas à la portée des accélérateurs de particules qui étaient les prédécesseurs du LHC. Avec ce dernier, on pourra non seulement y accéder, mais aussi aller au delà, vers des niveaux d’énergie qui ne sont pas envisagés dans le modèle standard. La découverte du boson scalaire ne serait donc pas la fin de la physique, bien au contraire !