Le boson de Higgs : Évolution ou révolution ?

La recherche du boson de Higgs conduit la physique des particules à l’aube d’une ère nouvelle.

Découvrir la particule de Higgs au LHC serait un triomphe, mais démontrer que cette particule n’existe pas pourrait être tout aussi enthousiasmant ; cela pourrait même être le prélude à une véritable révolution dans notre compréhension de la nature au niveau le plus fondamental. Après deux années fructueuses d’exploitation au LHC, le moment de vérité approche. D’ici à la fin de l'exploitation 2012 au plus tard, nous saurons si l'incarnation la plus simple de la particule de Higgs est une réalité, ou une chimère. Quel que soit le résultat, il faudra encore de nombreuses années de recherche au LHC pour tirer pleinement parti des conséquences.

Trouver la particule de Higgs, ou exclure définitivement son existence, est l’un des axes majeurs de la recherche au LHC. La particule de Higgs est associée à la réalisation la plus simple d'un mécanisme proposé au milieu des années 1960 par Robert Brout, François Englert, Peter Higgs et d'autres, qui permettait d’expliquer pourquoi l'une des forces fondamentales de la nature a une portée très limitée, alors qu’une autre force similaire a une portée infinie. Les forces en question sont d’une part la force électromagnétique, qui nous amène la lumière venue des étoiles, fournit à nos foyers l’électricité et donne leur structure aux atomes et aux molécules qui nous constituent, et, d’autre part, la force faible, qui produit l’énergie à l’origine des processus qui se passent dans les étoiles. Aujourd’hui, nous savons que la force électromagnétique est portée par des particules appelées photons, qui n’ont pas de masse, alors que la force faible est portée par les particules appelées W et Z, qui, elles, ont une masse. Un peu comme des enfants qui se lancent un ballon, les particules en interaction échangent ces porteuses de force. Plus le ballon est lourd, plus la distance à laquelle il peut être lancé est courte ; de même, plus la porteuse de force est lourde, plus sa portée est courte. Les particules W et Z ont été découvertes grâce à un projet mené au CERN dans les années 1980, entreprise qui fut couronnée d’un prix Nobel. Cependant, le mécanisme qui explique la masse de ces particules n'a pas encore été identifié expérimentalement, et c’est là que la particule de Higgs entre en jeu.

Le mécanisme de Higgs, dans sa formule fondamentale, est le modèle théorique le plus simple susceptible d’expliquer la différence de masse entre les photons et les particules W et Z ; par extension, ce mécanisme pourrait expliquer les masses de toute une série de particules élémentaires. Toutefois, le mécanisme de Higgs dans sa formulation la plus simple n’est pas la seule possibilité. Il en existe beaucoup d’autres, liées à des théories telles que la supersymétrie, qui pourrait expliquer la mystérieuse matière noire de l’Univers, ou encore à des théories prédisant des dimensions supplémentaires de l’espace, lesquelles, si elles étaient avérées, bouleverseraient véritablement notre compréhension de l’Univers. Cette quête n’est elle-même qu’un volet du programme de recherche très large mené au LHC, lequel s’intéresse aussi au déséquilibre subtil existant dans la nature entre matière et antimatière, qui a permis à la matière qui nous constitue d'exister, ou étudie encore la matière dans l'état où elle était probablement aux premiers instants de l'Univers.

La forme fondamentale du mécanisme de Higgs fait partie du Modèle standard de la physique des particules, la théorie développée dans les années 1960 et 1970, qui décrit le comportement des particules élémentaires et fait depuis l'objet de vérifications minutieuses dans des laboratoires comme le CERN. Le Modèle standard est très solide, mais nous savons qu’il est incomplet. Il rend remarquablement bien compte de la matière ordinaire qui nous constitue et qui constitue tout ce qui est visible dans l’Univers. Mais il ne décrit pas la partie invisible, les 96 % de l'Univers qui, nous le savons, sont là mais que l’on est jamais parvenu à détecter. Le Modèle standard n’en reste pas moins une théorie si solide qu’elle restera toujours valable dans la gamme d’énergies pour laquelle elle a été testée. Les scientifiques d’aujourd'hui veulent donc trouver une théorie qui s’appuie sur le Modèle standard, un peu comme la théorie d’Einstein sur la gravitation, à savoir la théorie de la relativité générale, s’appuie sur la gravitation newtonienne. C’est pourquoi trouver un mécanisme différent de celui qui prévoit la particule de Higgs du Modèle standard serait si extraordinaire.

La particule de Higgs du Modèle standard, si elle existe, présente des caractéristiques bien précises qui dépendent uniquement de sa masse. C’est pourquoi nous pourrons confirmer ou infirmer son existence avant la fin 2012. Certaines des particules de Higgs postulées au delà du Modèle standard ressembleraient beaucoup à la variété « Modèle standard », mais pourraient n’être produites que plus rarement dans les collisions du LHC, et, de ce fait, il faudrait plus de temps pour les découvrir. D’autres seraient beaucoup plus lourdes que la gamme de masses que le LHC peut atteindre actuellement, et il faudrait beaucoup plus d'énergie pour les produire. Si ce sont ces particules-là que nous réserve la nature, alors nous devrons attendre que le LHC soit passé à son énergie nominale pour les trouver.

Dans tous les cas de figure, le LHC fera une découverte sur la nature des masses des particules élémentaires. En effet, le Modèle standard a un autre point faible : sans la particule de Higgs, ou un autre mécanisme jouant le même rôle, les prédictions qu’il permet d’effectuer sur les processus d’interactions de particules conduisent à des impossibilités aux énergies qu'atteindra le LHC lors de sa deuxième phase d'exploitation, qui commencera vers 2014. Ce qui veut dire que, si le LHC ne découvre pas la particule de Higgs d’ici à 2012, il s’achemine vers une découverte qui aura lieu ultérieurement. Quel que soit le mécanisme prévu par la nature, le LHC nous éclairera.

L’état de la quête de la particule de Higgs du Modèle standard à la fin de la campagne d’exploitation avec protons du LHC en octobre 2011 repose sur des travaux expérimentaux auxquels ont participé des scientifiques du monde entier. Les recherches « directes » effectuées au LEP (collisionneur électron-positon), le prédécesseur du LHC, ont exclu la gamme de masses allant jusqu'à 114 GeV. Les résultats du Tevatron, la machine du laboratoire Fermi, aux États-Unis, et du LHC, avaient exclu la gamme comprise entre 141 GeV et 476 GeV. Les recherches indirectes, dans lesquelles les scientifiques, au lieu de rechercher la particule directement, s'efforcent de détecter des indices révélant qu'une particule de Higgs a influé sur les mesures, excluent la gamme allant au-delà de 200 GeV environ. Cela ne laisse comme possibilité que le créneau 114-141 GeV, qui est précisément celui où, d’après les éléments théoriques et expérimentaux dont on dispose, la particule de Higgs du Modèle standard est la plus susceptible de se trouver. En décembre 2011, les analyses des collaborations ATLAS et CMS ont encore réduit le créneau possible pour la masse d’une éventuelle particule de Higgs du Modèle standard, qui se situe désormais entre 116 GeV et 127 GeV ; de plus, les deux expériences ont entrevu des indices prometteurs de l’éventualité d’une particule de Higgs du Modèle standard dans la région des 124 GeV à 126 GeV. Seul le temps nous le dira.

Tout ceci augure très bien de l'avenir à long terme du programme du LHC, car, quelle que soit la forme que prendra la particule de Higgs, il faudra, pour étudier ses propriétés ou comprendre son absence, disposer de quantités de données considérables. Un Higgs du type Modèle standard pourrait même nous conduire à une nouvelle physique par des subtilités de son comportement qui n’apparaîtraient qu’après l’étude d’un grand nombre de Higgs. Un Higgs du type Modèle standard pourrait également n’être qu’un élément parmi plusieurs sortes de Higgs, ouvrant ainsi la voie à une nouvelle physique, que seule une étude approfondie permettra de révéler. Un Higgs hors Modèle standard lié à une théorie comme la supersymétrie, qui va au-delà du Modèle standard, ouvrirait immédiatement la voie à une nouvelle physique. Et enfin, si le Higgs du type Modèle standard devait être définitivement exclu à l'énergie d'exploitation actuelle du LHC, cela serait l'indice, soit d'un Higgs hors Modèle standard, qui pourrait être découvert grâce à une luminosité supérieure de la machine, soit de l'existence d'une nouvelle physique à l'énergie nominale du LHC, énergie à laquelle le Modèle standard sans particule de Higgs commence à ne plus fonctionner.

Quelle que soit la forme prise par la particule de Higgs, ou quel que soit le mécanisme qui explique les différences de masse entre particules élémentaires, la découverte de l'un ou de l'autre ne consiste pas simplement à repérer des indices révélateurs et à s'écrier : « Eurêka ! ». Il s’agit d’un processus laborieux d’analyses statistiques, fondé sur les configurations spécifiques de mesures de particules issues des collisions. Par exemple, l’une des façons pour une particule de Higgs de se désintégrer est de produire deux photons, qui seraient détectés. Malheureusement, beaucoup d’autres processus produisent également deux photons, si bien que l’analyse consiste à comparer le nombre d’événements « à deux photons » au nombre attendu si l’on s’en tient aux processus déjà connus. On procède ainsi pour toutes les voies de désintégration possibles, et ce n’est que lorsqu’on constate un excédent statistiquement significatif qu’on peut parler de découverte. En physique des particules, on parle de degré de confiance de 95 %, ce qui signifie qu’un signal donné, tel que celui d'une particule de Higgs produisant deux photons, n’a que 5 % de chances d'être le résultat d'une simple fluctuation statistique. Cependant, un degré de confiance de 95 % n’est pas suffisant pour qu’on puisse annoncer une découverte ; pour cela, il faut que la probabilité d’une fluctuation statistique soit beaucoup plus faible, de l’ordre par exemple de un sur un million. C’est ce que les physiciens appellent un effet à cinq sigmas. La découverte ou l’exclusion d’une particule de Higgs du Modèle standard avec ce degré de confiance est ce qui est attendu pour 2012 au plus tard.

Il faudrait plus de temps pour découvrir une particule de Higgs hors Modèle standard, mais le jeu en vaudrait la chandelle. Quoi qu’il arrive, il restera beaucoup à faire aux physiciens du LHC pour comprendre la nouvelle physique qui apparaît à l’horizon.

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