Source: Fermilab
Le laboratoire américain Fermilab a annoncé mercredi 4 juillet 2012 que les dernières données produites par l’accélérateur de particules Tevatron pointent fortement vers l’existence du boson de Higgs. Mais «il faudra les expériences du LHC en Europe pour confirmer une découverte», selon Rob Roser, porte-parole du Fermilab.
Le boson de Higgs, du nom du physicien britannique Peter Higgs, est la clé de voûte de la théorie du "Modèle standard de la physique des particules" élaborée dans les années 60. Ce modèle décrit la structure fondamentale de la matière visible dans l'univers. Pourtant, cette particule n’a jamais pu être observée. Or, l’existence de ce boson est indispensable pour expliquer pourquoi des particules sont dotées d'une masse et d'autres pas. La détection de ce chaînon manquant validerait donc cette théorie.
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.
John Ellis, chercheur au CERN
La particule de Higgs, si elle existe, aurait une masse qui se situerait entre 115 et 135 gigaélectronvolts (GeV) ou 130 fois celle d'un proton. Selon les scientifiques du Fermilab, les indices observés donnent une chance sur 550 que ce signal soit une fluctuation statistique. Un tel ratio reste insuffisant pour confirmer une découverte qui requiert une chance d'erreur sur 3,5 million pour être jugée comme établie.
Re-calculer le degré de confiance ?
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.
« C’est un peu comme si vous aperceviez de loin un visage qui vous semble familier, explique le Directeur général du CERN, Rolf Heuer ; parfois, vous devez vous rapprocher un peu pour voir s’il s’agit bien de votre meilleur ami, ou si c’est en fait une personne qui lui ressemble beaucoup. »
Le Modèle standard donne une image extraordinairement précise de la matière qui constitue tout ce qui est visible dans l’Univers, ainsi que des forces qui régissent son comportement, mais il y a de bonnes raisons de penser que l’image n’est pas complète. Par exemple, nous savons d’après l’observation que l’Univers visible ne représente que 4 % de l'ensemble.
Pourquoi faire ?
La découverte du boson de Higgs pourrait ouvrir la voie à la découverte d'une nouvelle physique, avec par exemple les superparticules ou la matière noire. Le Britannique Peter Higgs et d’autres physiciens avaient postulé en 1964 l’existence de cette particule, aussi appelée boson scalaire. Sa durée de vie étant trop brève pour qu’on le détecte directement, on ne peut espérer observer que ses produits de désintégration, voire les produits de ses produits de désintégration.
Rappel: Le boson de Higgs (source CERN)
Le Modèle standard arrive à décrire toutes les particules élémentaires connues et la façon dont elles interagissent les unes avec les autres. Mais notre compréhension de la nature est incomplète. En particulier, le Modèle standard ne répond pas à une question simple : Pourquoi la plupart des particules élémentaires ont-elles une masse ?
Sans la masse, l’Univers serait bien différent. Par exemple, si l’électron n’avait pas de masse, il n’y aurait pas d’atomes. Il n’y aurait donc pas de matière telle que nous la connaissons, pas de chimie, pas de biologie, et naturellement pas d’êtres humains. Autre exemple, si le Soleil brille, c’est grâce à une interaction subtile entre les forces fondamentales de la nature, qui serait complètement bouleversée si certaines des particules porteuses de force n’avaient pas une masse importante.
À première vue, le concept de masse semble ne pas avoir sa place dans le Modèle standard de la physique des particules. Deux des forces décrites par le modèle – l’électromagnétisme et la force nucléaire faible – peuvent être décrites par une seule théorie, celle de la force électrofaible. Les physiciens ont mis cette théorie électrofaible à l’épreuve par de nombreuses expériences, qui l’ont toujours confirmée. Toutefois, les équations de base de la théorie semblent n’être valables que si toutes les particules élémentaires sont dépourvues de masse.
Les physiciens avaient donc besoin d’une porte de sortie. Plusieurs d’entre eux, dont Peter Higgs, ont découvert un mécanisme qui, associé aux équations du modèle, permettrait aux particules d'avoir une masse. C'est ce qu'on appelle à présent le mécanisme de Higgs. Intégrer ce mécanisme dans le Modèle standard a permis aux physiciens de réaliser des prédictions concernant plusieurs quantités, notamment la masse de la plus lourde des particules connues, le quark top. Les expérimentateurs ont découvert cette particule exactement là où les équations intégrant le mécanisme de Higgs prédisaient qu’elle devait se trouver.
D’après la théorie, le mécanisme de Higgs repose sur un champ présent partout dans l’espace. Les particules acquièrent la masse en interagissant avec ce champ. Peter Higgs a mis en évidence que le mécanisme suppose l'existence d'une particule qui n’a jamais été observée, que nous appelons maintenant le boson de Higgs. Le boson de Higgs est l’élément fondamental du champ de Higgs, de même que le photon est l’élément fondamental de la lumière.
Le boson de Higgs est la seule particule prédite par le Modèle standard qui n’a pas encore été détectée par les expériences. Le mécanisme de Higgs ne prédit pas la masse du boson de Higgs, mais envisage plutôt une gamme de masses. Heureusement, le boson de Higgs, s’il est détecté, laissera une empreinte unique en fonction de sa masse. Les physiciens sauront donc calculer sa masse d’après les particules qui apparaîtront dans le détecteur.
Il se pourrait que le boson de Higgs qu’observent les expérimentateurs soit différent de la version la plus simple prédite par le Modèle standard. Plusieurs des théories décrivant la physique au-delà du Modèle standard, notamment la supersymétrie et les modèles composites, prévoient l’existence de tout un zoo de nouvelles particules, y compris différents types de bosons de Higgs. Si l’un de ces scénarios est conforme à la réalité, la découverte du boson de Higgs pourrait ouvrir la voie à la découverte d'une nouvelle physique, avec par exemple les superparticules ou la matière noire. D’un autre côté, si l’on ne trouvait aucun boson de Higgs au LHC, cela appuierait une autre classe de théories, qui expliquent le mécanisme de Higgs de façon différente.
Copyright CERN 2008
En savoir plus:
Le boson de Higgs, pour mieux comprendre l'univers par euronews-fr
http://public.web.cern.ch/public/welcome-fr.html
http://www.insp.jussieu.fr/De-l-astrophysique-en-laboratoire.html
BOSON DE HIGGS YVES SIROIS par tophgarnier
