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Les physiciens cernent le boson de Higgs

Michel Alberganti, mis à jour le 15.12.2011 à 17 h 56

Il fait rêver tous les héritiers d'Einstein. Si les équipes du Cern arrivent vraiment à le débusquer, on comprendra peut-être enfin pourquoi certaines particules ont une masse…

Une collision de protons © 2011 CERN

Une collision de protons © 2011 CERN

S’il existe, c’est là qu’il doit se trouver! Au Cern de Genève, la tension devait être à son comble, mardi 13 décembre 2011, lors de l’annonce des derniers résultats obtenus par deux expériences (Atlas et CMS) menées sur le grand collisionneur de hadrons, le LHC.

La chasse au boson de Higgs, une des clés fondamentales de l’univers, lancée fin 2009, semble proche de l’hallali.

Les physiciens ont en effet isolé une zone particulière, une sorte de «bosquet» pour poursuivre l'analogie avec la chasse, désormais encerclé par les 400.000 milliards de bombardements provoquant les collisions de protons qu’ils ont déjà réalisés en 2011.

Ce bosquet, c’est un créneau d’énergie compris entre 124 et 126 giga-électron-volts (GeV). Une énergie extrêmement faible puisque, comme le souligne souvent Etienne Klein, physicien au CEA, «l'énergie cinétique d'un moustique en vol atteint 7.000 GeV».  En revanche, la masse du boson de Higgs, s'il se trouvait bien dans le domaine prévu, serait égale à 133 fois celle d'un proton ou d'un atome d'hydrogène. Elle se classerait donc dans la catégorie des particules «lourdes». 

Tous les physiciens en ont rêvé

Divisée par le carré de la vitesse de la lumière suivant la formule E=MC2, cette énergie fournit une masse qui pourrait être celle de l’objet de plus recherché de la planète de la physique depuis 50 ans: le boson de Higgs.

Cette particule fait rêver tous les héritiers d’Einstein depuis 1964. Cette année-là, plusieurs chercheurs dont le Britannique Peter Higgs, font une proposition visant à expliquer «la brisure de l’interaction électrofaible». Cette formule obscure désigne le mécanisme qui, lors des tous premiers instants de la naissance de notre univers juste après le Big Bang, a conféré une masse à certaines particules élémentaires (Z et W). 

D’une façon purement théorique, Higgs et ses collègues déduisent de leurs calculs qu’une nouvelle particule doit exister afin d’expliquer ce mécanisme: le boson de Higgs. Mais les physiciens n’ont pas disposé des moyens expérimentaux nécessaires à la vérification de l’existence réelle de cette particule avant la construction d’un gigantesque instrument, le LHC

Après deux ans d’efforts et une montée en puissance progressive de l’installation, leurs premiers résultats font, pour la première fois, pencher sensiblement la balance du côté de son existence.

S’il est indubitablement débusqué, le boson de Higgs apportera une pierre essentielle à l’un des édifices majeurs de la physique moderne, le «modèle standard» qui décrit l’ensemble des particules élémentaires constituant la matière ainsi que trois des interactions qui les relient (forte, faible et électromagnétique).

Vous voyez l'aiguille et la botte de foin...

En d’autres termes, il ne s’agit de rien de moins que de comprendre pourquoi certaines particules ont une masse

Pour cela, faute d’avoir à remettre le modèle standard sur le métier, les physiciens du Cern tentent donc de détecter l’apparition furtive d’un boson de Higgs dans l’immense confusion engendrée par les milliards de collisions de protons qu’ils provoquent dans le LHC.

A côté, l’aiguille dans la botte de foin ressemble à un jeu d’enfant. «Ces dernières semaines, nous avons commencé à observer un singulier excédent d’événements autour de 125 GeV», explique Fabiola Gianotti, porte-parole d’Atlas, l’expérience qui, avec le concours d’une autre, CMS, traque le boson.

Ce résultat, présenté avec moult précautions par le Cern, pourrait conduire à terme à l’existence d’un boson de Higgs d’une masse de 223 10-36 kg. 36 zéros avant après la virgule… C’est dire si ce fameux boson ne pèse pas lourd, malgré son importance considérable pour les chercheurs.

Quelle confiance?

Nous n’en sommes pourtant pas encore à devoir modifier tous les manuels de physique des particules. Les observations réalisées au Cern sont en effet fondées sur les statistiques. De ce fait, pour qu’un événement soit reconnu comme révélateur de l’existence d’un phénomène, il faut qu’il se reproduise assez souvent pour éliminer les effets de hasard ou de bruit de fond (perturbation de l’expérience). 

Le Cern reconnaît que, pris isolément, chaque excédent d’événement observé n’est pas plus significatif de «deux jets de dé produisant deux six consécutifs». Mais lorsque plusieurs mesures indépendantes désignent une même région comprise entre 124 et 126 GeV, les chercheurs sont aux aguets.

Etienne Klein, physicien au CEA, explique que, dans la situation actuelle, tout se passe «comme si un standard téléphonique recevait régulièrement 8 appels concentrés autour de midi». Pour conclure, «il faut déterminer si c’est un simple hasard ou s’il existe une cause commune à ce phénomène».

Pour évaluer leur degré de confiance dans un résultat statistique, les physiciens des particules utilisent une échelle de sigma (écart-type) graduée de 1 à 5.

Les deux premiers échelons correspondent à des résultats non fiables. A 5 sigma, on considère que la découverte correspondante est officiellement acquise car cela correspond à moins d’une chance sur un million pour que le résultat soit lié à un biais statistique.

L’une des équipes de l’expérience Atlas a rapporté une observation à 126 GeV avec une fiabilité de 2,3 sigma. L’autre équipe a enregistré un événement à 124 GeV avec 1,9 sigma. Il reste environ 1% de chance pour que ces résultats soient dus au hasard. Il semble donc bien que le bosquet n’est pas vide.

Pourtant, les chercheurs ne sont pas encore satisfaits. «Nous ne pouvons tirer aucune conclusion pour l’instant. Nous avons besoin de plus d’études et de plus de données», a déclaré prudemment Fabiola Gianotti.

Etienne Klein se laisse aller à plus d’enthousiasme et de confiance. «Même si on ne peut pas l’affirmer officiellement, j'ose espérer qu'on le tient et que ces résultats révèlent bien l’existence du boson de Higgs à 125 GeV», lance-t-il.

S’il a raison, nous devrions le savoir d’ici l’été. Le Cern aura alors réalisé quatre fois plus de collisions de protons. En revanche, si les mesures ne vont pas dans le sens de l’existence du boson, elles devront se poursuivre jusqu’à la fin de 2012 pour confirmer l’échec de la chasse.

Avec l’expérience de mesure de la vitesse des neutrinos qui semble dépasser celle de la lumière, le Cern a la main chaude ce moment.

De quoi sortir la recherche en physique d’une sorte de léthargie dans laquelle elle semblait baigner depuis quelques décennies. Et donner à Etienne Klein de nouveaux sujets d’anagrammes, l’une de ses passions. Il nous offre ainsi la primeur de ses deux dernières trouvailles:

boson scalaire = bière sans alcool

boson scalaire de Higgs = l’horloge des anges ici bas.

CQFD.

Michel Alberganti

Article mis à jour avec des précisions apportées par Etienne Klein.

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