Le Boson de Higgs : un grand pas dans le domaine de la physique des particules

Juin 2015 représente le début d’une nouvelle ère pour le boson de Higgs. Au CERN, à Genève, les expériences menées dans l’accélérateur LHC (Large Hadron Collider) commencent officiellement à recueillir pour la première fois des collisions à une énergie de 13 TeV (13000 milliards d’électronvolts).

Après une période d’essai, avec des faisceaux “pilotes” composés d’un nombre limité de paquets de protons, l’acquisition de données à haute intensité commence.

En octobre 2015, des résultats ont été publiés dans lesquels, à côté des signaux connus, tels que le pic à environ 125 GeV (125 milliards d’eV), identifié en 2012 comme le premier signal du boson de Higgs, un autre pic (voir fig.1) peut être vu émergeant du bruit de fond [1].

On peut supposer que les données recueillies ont pu révéler l’existence d’un deuxième boson de Higgs ayant une masse d’environ 145 GeV.

Dans ce cas, le boson est identifié par sa désintégration en deux bosons Z qui, à leur tour, se décomposent en quatre leptons (H ⇒ ZZ ⇒ 4 leptons).

Le boson de Higgs : un événement très rare

Tout d’abord, on doit partir du principe que pour pouvoir déclarer avoir observé une nouvelle particule, on ne considère que les signaux qui peuvent se produire par le biais d’une fluctuation statistique du fond avec une probabilité infinitésimale (moins de 3 cas sur 10 millions). Il est évident qu’on parle d’événements très rares : en pratique, un boson de Higgs est généré toutes les 1000 milliards de collisions !

Ce résultat, s’il est confirmé, tracerait une ligne de continuité avec une précédente publication de ma part, parue dans ce même magazine, dans laquelle on présentait la tendance des constantes de couplage des quatre interactions fondamentales en fonction de l’énergie.

Essayez de procéder avec ordre : l’objectif principal des physiciens a toujours été de traiter le plus grand nombre possible de phénomènes à travers le plus petit nombre possible de théories générales, en tendant vers un schéma d’unification capable de remonter à l’origine de l’Univers par une seule force.

Cette conviction découle de l’observation que, dans l’histoire de la physique, on a déjà assisté, dans le passé, à plusieurs exemples importants d’unification qui permettent d’espérer d’autres opérations de synthèse.

Les champs de forces

Pour avoir une idée de l’ordre de grandeur des énergies auxquelles se produisent les unifications des interactions, à partir des expressions spécifiques des constantes individuelles, il est possible, par exemple, de représenter dans un graphique la tendance des “constantes courantes” en recherchant d’éventuelles intersections. Celles-ci sont caractérisées par des valeurs spécifiques d’énergie auxquelles correspondent autant de groupes de particules appelées bosons, en d’autres termes les médiateurs des différents champs de forces.

Dans l’article précédent, on a souligné comment la valeur de l’énergie trouvée en correspondance d’une certaine intersection correspond à la moyenne des valeurs théoriques minimales attendues pour le groupe de bosons impliqués dans ce processus particulier d’unification.

En particulier, à environ 50 GeV, on trouve la masse moyenne minimale du triplet de bosons W , W-, Z0 découvert par Carlo Rubbia et Symon van der Meer en 1983 (unification électrofaible), tandis qu’à 10^15 GeV correspond la masse minimale des bosons X et Y (non encore trouvés et supposés dans le cadre de la théorie dite de la grande unification ou GUT, c’est-à-dire l’unification de la force électrofaible avec la force nucléaire forte).

A 10^18 GeV on rencontre la valeur théorique minimale pour l’unification avec l’interaction gravitationnelle (TOE, Theory Of Everything) prévue à l’époque de Planck (10-44 sec après le big – bang), limite extrême de la capacité actuelle à développer des hypothèses.

Enfin, on a également signalé la présence d’une autre intersection à environ 128 GeV, une valeur très proche du boson de Higgs trouvé en 2012, bien que légèrement supérieure. Contrairement aux masses des bosons W et Z, la masse du boson H n’est pas fixée par la théorie et représente un paramètre libre du modèle.

La supersymétrie en physique des particules

Si vous croyez que votre graphique continue à vous fournir des indications sur la limite inférieure théorique des énergies auxquelles apparaissent les bosons caractéristiques des processus d’unification, étant donné qu’un boson de Higgs a déjà été identifié à environ 125 GeV, une valeur minimale de 128 GeV suggère l’idée qu’il existe un multiplet de bosons de Higgs, une possibilité qui est tout sauf éloignée, avec une valeur moyenne minimale correspondant à 128 GeV.

Très populaire au sein de la communauté de la physique des particules, qui tente d’assembler les différentes pièces du modèle standard, la supersymétrie prédit l’existence d’une particule partenaire plus lourde, appelée “sparticule”, pour chaque particule élémentaire connue. Par exemple, les superparticules de quark sont appelées “squarks” et pour Higgs, on a des “Higgsini”. Ce modèle prédit quatre types de particules de Higgs.

L’alternative théorique qui est à la mode parmi les physiciens, et qui prédit l’existence de multiples bosons de Higgs, est appelée “théorie de la composition”. Il propose que le boson de Higgs ne soit pas une particule élémentaire mais qu’il soit constitué de particules plus petites qui n’ont pas encore été observées.

La “théorie de la composition” prédit que si des constituants fondamentaux composent le boson de Higgs, celui-ci pourrait prendre une combinaison de masses basée sur les propriétés de ces particules plus petites, et donc se présenter sous de multiples modes.

En tout état de cause, la prudence s’impose dans ces circonstances.

En outre, comme on a déjà eu l’occasion de le souligner, même si avec toutes les précautions nécessaires et légitimes liées tant à la méthode graphique qu’on a adoptée, qu’à la nécessité de recueillir au CERN une plus grande quantité de données expérimentales, afin de consolider la statistique des événements, il semblerait plutôt bizarre de constater que pour toutes les interactions analysées dans les différentes transitions, les courbes examinées dans la fig.2 permettent d’obtenir, avec une extrême précision, la valeur minimale de la masse des bosons impliqués et ne perdent soudainement leur sens que dans le cas du boson de Higgs.

Tout ce qu’on peut faire, c’est attendre.