A la recherche de la particule manquante : le Boson de HIGGS

Le monde de la physique des particules est en effervescence : les deux expériences principales du LHC, le grand collisionneur de hadrons du CERN, à Genève, présentent des signaux qui pourraient correspondre au boson de Higgs. C'est ce qu'ont annoncé, mardi 13 décembre, Fabiola Gianotti, porte-parole de l'expérience ATLAS, et Guido Tonelli, son homologue de l'expérience CMS, qui ont présenté les résultats de deux années de collecte et d'analyse de données. Les deux expériences ont indépendamment observé un signal attribuable au boson de Higgs, dans un intervalle de masse compris entre 124 et 126 GeV (le GeV, ou gigaélectronvolt, est en fait une unité d'énergie qui est à peu près égale à l'énergie de masse d'un proton).


(Détecteur ATLAS)

Le directeur général du CERN, Rolf Heuer, avait cependant tenu à calmer les esprits avant l'annonce : les résultats reposent sur une quantité de données suffisantes pour dégager un signal significatif, mais insuffisante pour conclure définitivement à l'existence ou non de la particule tant attendue. En d'autres termes, il est encore trop tôt pour parler de découverte du boson de Higgs, mais l'étau se resserre.

Le boson de Higgs est un élément clef du modèle standard (la théorie qui décrit les particules élémentaires et leurs interactions). Postulée dans les années 1960 par Peter Higgs et ses collègues, cette particule permet d'expliquer comment les autres particules acquièrent une masse. La confirmation de l'existence du boson de Higgs manque toujours pour valider de façon plus complète le modèle standard.

Le LHC, mis en service en 2008, est le dernier né des grands accélérateurs de particules. L'un des objectifs principaux des expériences ATLAS (A Toroidal LHC ApparatuS, ou dispositif instrumental toroïdal pour le LHC) et CMS (Compact Muon Solenoid, ou solénoïde compact à muons), qui ont commencé à recueillir des données en 2009, est de découvrir le boson de Higgs. Le LHC accélère des faisceaux de protons qui tournent en sens contraire avant de les faire se percuter frontalement à une énergie de 7 TeV, soit 7000 GeV. Chaque collision entre deux protons produit plusieurs centaines de particules. Certaines ont une durée de vie si courte qu'elles se désintègrent en une cascade d'autres particules avant d'atteindre les détecteurs. C'est le cas du boson de Higgs, qui peut se désintégrer de plusieurs façons, par exemple en deux photons, en deux bosons Z ou encore en deux bosons W. Une partie du travail des physiciens consiste à reconstruire le scénario de chaque collision à partir des données enregistrées par les détecteurs. Ce travail est loin d'être évident : il faut entre autres prendre en compte la résolution des différents détecteurs et les probabilités de tous les scénarios possibles.

De fait, les événements mettant en jeu un probable boson de Higgs qui ont été détectés par ATLAS et CMS sont très rares : une dizaine, sur près de 400 000 milliards de collisions pour la seule année 2011. Reste que ces événements pourraient être le fruit du hasard. Tout résultat en physique des particules est ainsi associé à la probabilité que le signal observé soit un bruit statistique. À défaut d'éliminer cette possibilité, il faut diminuer sa probabilité en accumulant plus de données. On considère en général qu'il y a « découverte » quand la probabilité que le signal soit une fluctuation statistique est inférieure à un sur un million.

Aujourd'hui, les expériences ATLAS et CMS ont accumulé suffisamment de collisions pour permettre de distinguer un signal qui pourrait être celui du boson de Higgs, d'une masse comprise entre 124 et 126 GeV, avec une probabilité d'erreur de 1/1000 pour ATLAS et 1/100 pour CMS. La confiance des physiciens est renforcée par le fait que les deux expériences sont indépendantes : les techniques utilisées et les méthodes d'analyse sont différentes. Observer des signaux quasiment dans le même intervalle de masse est donc encourageant, même si les probabilités d'artefacts sont encore élevées. Pour confirmer la découverte, les deux expériences vont continuer d'enregistrer des collisions. Réponse définitive espérée d'ici la fin de l'année 2012.

Source : http://www.lhc-france.fr/