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bozon de higgs

  • Des étincelles du LHC, auraient jailli le fameux bozon de Higgs,

    ou une autre particule, allez savoir ?

    Les collisions de particules effectuées au LHC auraient finalement prouvé l'existence de la mère de toutes les autres, que la physique cherche depuis des années et que l'on a dénommée boson de Higgs, en hommage à ses travaux. Image: AFP, document La Tribune de Genève, cliquez sur l'image.

    Support Wikipedia Il est incontestable, au vu des Unes des journaux du monde, que les chercheurs du CERN de Genève ont vu sur leurs écrans, dans les traces des petits big bang qu'ils provoquent, quelque chose ? La Tribune de Genève titre «La découverte du bozon de Higgs est historique», et il y a 99.999 % de chance que ce soit ce fameux bozon ! Il était la pièce manquante sans laquelle la théorie du modèle standard imaginé par les chercheurs il y a 50 ans ne tiendrait pas, et toute la physique des particules sur laquelle elle était basée tomberait d'un coup. Tout serait à revoir, on imagine. On le cherchait depuis 1964, mais sa traque effective aurait commencée véritablement en 2.000, il fallait donc construire ce fameux LHC à 100 mètres sous terre, une machine incroyable.

    Pour comprendre l'importance de ce qui vient d'être aperçu, car ce dont on dispose, n'est sa masse de 125 GeV soit 133 fois plus élevée que celle d'un proton. Sur sa caquette n'est pas marqué, comme pour la poste, bozon de Higgs, alors on reste prudent. On l'avait déjà tâté puisque l'on savait que sa masse serait comprise entre 115 et 130 GeV, voir tous les articles que j'ai écris sur cette extraordinaire et passionnante expérience.

    Le Large Hadron Collider,

    Le Large Hadron Collider suite,

    Le Large Hadron Collider enfin opérationnel,

    Exister sans exister encore tels sont,

    Le bozon de Higgs la divine particule que les physiciens,

    Cette découverte représente le Graal pour les physiciens selon le professeur Aurelio Bay, du Laboratoire de Physique des Hautes Énergies à l'EPFL. C'est 25 années de recherches qui ont commencées au Synchotron du Fermilab à Batavia dans l'Illinois aux États-Unis. Il s'agissait d'une hypothèse émise en 1964 par Robert Brout, et François Engler ainsi que par le professeur Peter Higgs dans l'étude de la physique des particules. C'est le quatre juillet 2012 que ce fameux bozon fut annoncé avoir été découvert, et Peter Higgs en avait les larmes aux yeux en apprenant cette nouvelle pour laquelle avait été engagé un énorme pari, le découvrir par la rencontre de faisceaux de particules lancés dans l'ultra vide à une vitesse proche de celle de la lumière.

    Tout le monde attendait en ce matin du 4 juillet au Cern l'annonce des résultats de cette recherche. Avait-on enfin découvert la mythique particule censée expliquer l’origine des masses des quarks et des leptons du modèle standard et plus précisément celles des particules médiatrices des forces du modèles électrofaibles ? Les rumeurs de la découverte de ce boson allaient bon train mais la seule chose certaine était que quatre des six physiciens ayant introduit le mécanisme dit de Brout-Englert-Higgs en 1964 seraient bien présents pour écouter ce que les deux porte-paroles des expériences phares du LHC allaient dire. Le but est de comprendre comment fut construit le monde quelques 10 -25 secondes après le fameux big bang créateur de nôtre univers à une température de quelques 100 millions de milliards de degrés Kelvin. Fabuleux n'est-ce pas !

    C'est le bozon le plus lourd jamais découvert dans un accélérateur de particules et on observe les conséquences de son existence dans les deux détecteurs géants du LHC.

    C’est Joe Incandela qui a pris la parole le premier, au nom de la collaboration CMS, puis ce fut le tour de Fabiola Gianotti pour ATLAS. Dans les deux cas l’émotion a saisi l’assemblée ainsi bien sûr que tous les physiciens suivant le séminaire sur Internet, lorsque les deux chercheurs ont dévoilé les résultats des analyses faites.

    En rouge on voit la trajectoire de 4 muons dans le détecteur Atlas, résultant très probablement de la désintégration d'un boson de Higgs. © ATLAS, Collaboration-Cern. Document Futura-Sciences.

    Il fallait pour que soit crédible cette découverte qu'au moins deux détecteurs CMS et ATLAS qui sont deux instruments de mesure différents, découvrent la même chose et dans les mêmes conditions. Il s'agit de probabilités en mécanique quantique, elle joue un rôle considérable dans l'actualité scientifique. La mécanique quantique est elle même une forme généralisée du calcul des probabilités. Dans cette application, elle nous dit qu'il y aurait 99,9999 % de chance que ce soit le bozon de Higgs. Dans les deux cas mesurés dans les détecteurs, il s'agit d'un bozon qui se désintègre en d'autres particules selon des réactions similaires. Mais sa véritable identité n'est pas encore certaine et cela ouvre la voie, à un après, le 4 juillet 2012.

    Cette découverte représente malgré tout une formidable victoire qui est un véritable pas dans l'histoire de la physique, un pivot autour duquel les chercheurs vont orienter leurs recherches. Il faut d'abord confirmer que c'est bien le bozon de Higgs. Et comme il est déduit de l'imagination des professeurs pour qu'il colle au modèle standard ce n'est pas évident.

    C'est quoi le bozon et comment on le recherche.

    John Ellis, le grand physicien théoricien, répond à la question : qu'est-ce que le boson de Higgs et comment le recherche-t-on ? © CernTV, YouTube, document Futura Sciences.

    Pour le directeur du Cern Sergio Bertolucci,

    «il est difficile de ne pas s’enthousiasmer. Nous avions dit l’année dernière qu'en 2012, soit nous trouverions une nouvelle particule semblable au boson de Higgs, soit nous exclurions l’existence du Higgs du modèle standard. Avec toute la prudence qui s’impose, nous nous trouvons, il me semble, à un croisement, l’observation de cette nouvelle particule nous montre la voie à suivre dans l’avenir pour mieux comprendre ce que nous observons dans les données». Ce à quoi Rolf Heuer, le directeur général du Cern, a ajouté, «nous avons franchi une nouvelle étape dans notre compréhension de la nature. La découverte d’une particule dont les caractéristiques sont compatibles avec celles du boson de Higgs ouvre la voie à des études plus poussées, exigeant davantage de statistiques, qui établiront les propriétés de la nouvelle particule, elle devrait par ailleurs lever le voile sur d’autres mystères de notre univers».

  • Le bozon de Higgs la particule divine que les physiciens

    de l'infiniment petit cherchent, ne sera pas découverte mais révélée.

    Support Wikipedia C'est dans cette partie de cache cache que mènent les physiciens du Cern, pour découvrir cette particule divine, mère de l'Univers dans un mécanisme imaginé par Peter Higgs qui expliquerait que toutes les particules ont une masse, voir, Le large Hadron Collider, que se joue la connaissance de sa création. Comment notre Univers s'est-il formé, voila la vraie question à laquelle ce bozon pourrait répondre. Ils ne l'ont jamais vu ni rencontré au détour d'une expérience, mais elle serait fondamentale cette particule pour expliquer, dans le modèle standard de la physique des particules, la création de leur masse, voir Exister sans exister encore tels sont... C'est dans une gigantesque machine conçue après le Tevatron du Fermilab en hommage au physicien Italien Enrico Fermi aux États-Unis que Le Large Hadron Collider fut construit au Cern de Genève à 100 mètres sous terre, que ces chercheurs espèrent la découvrir, voir, Le large Hadron Collider, suite. L'idée est donc de revenir au big bang à 10 -25 seconde après sa naissance, c'est à dire de s'en approcher, le reproduire artificiellement, alors que la température de sa création était proche de 100 millions de milliards de degrés Kelvin et que la taille du cosmos observable n'était que de 300 millions de kilomètres ! Affolant n'est-ce pas ?

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    Document Futura-sciences, crédit Cern. Cliquez sur l'image.

    Comment créer ce big bang artificiel mais en «fracassant» deux faisceaux de photons et de ions lourds circulant en sens inverse à une vitesse proche de celle de la lumière dans de l'ultra vide, par leur rencontre comme «deux locomotives» à pleine vitesse circulant en sens inverse sur une même voie. Ces locomotives sont l'image de grappes de particules dont chacune d'elles est porteuse de 7 TeV, tétra électron volt, voir, Le large Hadron Collider suite, lors de sa pleine puissance, qui développeraient, au moment de leur choc une température de 20 milliards de degrés. C'est dans la trace de leurs étincelles que les chercheurs espèrent voir ce fameux bozon de Higgs, voir, Exister sans exister encore tels sont...

    Le 13 décembre ça chauffe au Cern, les physiciens le touchent presque ce fameux bozon la pièce qui manque au modèle standard qu'ils ont imaginée. En début d'après midi, lors d'un séminaire du Cern, le directeur général de l'installation, Rolf-Dieter Heuer, et les responsables des deux principales expériences, Fabiola Gianotti de l'équipe Atlas, et Guido Tonelli pour celle du CMS, devaient dévoiler, les résultats très attendus d'une année consacrée à tenter de percer les secrets de la matière. Leur espoir est de trouver ce bozon manquant à leur théorie. Il permettrait d'apporter des éléments de réflexion, sa découverte conduira nécessairement à d'autres expériences pour résoudre un des grands mystères de l'Univers, pourquoi les particules élémentaires ont-elles une masse ? Les responsables des expériences Atlas et CMS ne l'ont pas encore franchement observé, seulement des soupçons. Mardi 13/12/11, 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 des particules par la relation E=m c2, voir, Exister sans exister encore tels sont....

    Remarquons, cette loi universelle d'Albert Einstein pourrait être remise en cause par des mesures sur le détecteur Opéra du Gran Sasso en Italie, qui ont montré que des neutrinos muoniques produits au Cern et formant un faisceau de particules envoyé à travers la Terre en direction de ce détecteur à plus de 730 km de Genève, auraient été chronométrés à une vitesse dépassant celle de la lumière dans le vide de 60 nanosecondes, 60.10 -9 secondes. …

    Vidéo, Le Large Hadron Collider, en Français.

    On nage en pleine statistiques, pour que les recherches aient une réalité, il faut que la probabilité de découvrir ce fameux bozon soit crédible. Dans l'infiniment petit les statistiques règnent en maître. Les signaux détectés relatifs au bozon auraient une chance sur 300 d'être le fait du hasard, c'est à dire que sur 300 signaux un seul serait le fait du hasard, ce qui montre bien que les expériences ont une certaine crédibilité. Ce n'est certes pas encore l’assaut mais dans le langage des physiciens la courbe d'exclusion n'exclurait pas le boson de Higgs à basse valeur de masse. Il y a donc quelque chose qui semble réaliste dans une fourchette de masse entre 115 et 130 GeV, rappelons que 1 GeV est égal à 1,732. 10 -36 kg, et 100 GeV donnent une masse de 1,732. 10-34 kg. Pour affirmer que le résultat des expériences soit sûr il faudrait que la probabilité statistique soit d'une chance sur un million que ce qui est observé soit dû au hasard.

    Pour l'ensemble de l'année 2011 quelque chose comme 400.000 milliards de collisions ont été réalisées, et seulement une dizaine ont été positives. Le bozon ainsi apparu n'était que furtif et se désintégrait aussitôt en d'autres particules. Les chercheurs pensent quadrupler les collisions en 2012. «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». C'est l'image qu'en donnent les chercheurs du CNRS associés aux expériences Atlas et CMS. Si tout ceci finalement ne donne rien de sûr, toute la théorie échafaudée pour expliquer la masse des particules tomberait à l'eau, et il faudrait autre chose que le mécanisme imaginé par Higgs pour expliquer que cette particule est la mère de toutes les autres.

    Le bilan actuel permet de déclarer :

    • 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), comme montré à l'article Exister sans exister encore tels sont.....

    Pour être sûr qu'une découverte soit vraiment certaine, 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 bien plus convaincant, même en l'absence d'une statistique suffisante, pour confirmer une découverte, de Futura Sciences.

    D'une façon ou d'une autre, il doit bien exister quelque chose qui donne une masse aux particules dans le modèle standard ressemblant au mécanisme de Higgs. Sa présence a déjà été plus ou moins testée indirectement avec le succès des calculs décrivant des réactions dans les collisions du LEP, Large Electron Position et du Tevatron. Ce que l'on ignore encore c'est la masse du bozon et la façon dont il influence les autres particules. Higgs à imaginé un mécanisme qui colle avec le modèle standard, mais rien ne prouve que c'est une réalité. 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.

    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 modèle standard 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, les 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, de Futura-Sciences.

    Cliquez sur l'image.

    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 exprimant l'importance du 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. © Cern-Konrad Jende

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