Découverte d’une nouvelle particule : avec un peu de chance, c’est le boson de Higgs

04.07.2012

Le trajet long et compliqué vers la découverte du boson de Higgs, entrepris il y a environ vingt-cinq ans, pourrait avoir finalement atteint son but. Telle est l’annonce faite aujourd'hui par les chercheurs de l’accélérateur de particules LHC (initiales de Large Hadron Collider en anglais, et en français : Grand collisionneur de hadrons) au Laboratoire européen pour la physique des particules du CERN, près de Genève.


Le boson de Higgs est le dernier élément manquant du « modèle standard » qui décrit la structure de la matière dans l’univers. Le boson de Higgs combine deux forces de la nature et montre qu’elles sont en fait différents aspects d’une force plus fondamentale. La particule est aussi responsable de l’existence de la masse dans les particules élémentaires.

Plusieurs chercheurs de l'Institut Weizmann ont été parmi les participants de premier plan de ces travaux dès leurs débuts. Le professeur Giora Mikenberg a été pendant de nombreuses années à la tête du groupe qui a mené la recherche sur le boson de Higgs dans l’expérience OPAL du CERN. Il a aussi été le dirigeant du programme Muon d’ATLAS, l’une des deux expériences qui ont en fin de compte révélé l’existence de la particule. Le professeur Ehud Duchovni est à la tête de l’équipe de l'Institut Weizmann qui étudie d’autres questions très importantes au CERN. Le professeur Eilam Gross est actuellement le président du groupe de physique Higgs d’ATLAS. Il est intéressant de voir que dans l’équipe de l'Institut Weizmann trois « générations » scientifiques sont représentées : Mikenberg a été le patron de Duchovni, qui à son tour a été le patron de Gross.

Le professeur Gross nous dit : « C’est le plus grand jour de ma vie. Je cherche le boson de Higgs depuis l’époque de mes études, dans les années quatre-vingt, et j’avoue que même après 25 ans de recherches, cela m’a pris par surprise. Quel que soit le nom qu’on lui donne, nous ne cherchons plus le boson de Higgs, mais nous mesurons ses propriétés. J’étais sûr qu’on le trouverait, mais je n’imaginais pas que ce serait pendant que j’occupe un poste important dans le groupe mondial de recherche. »

Alors que la plupart des gens ont l’impression que le monde est un endroit complexe et diversifié, les physiciens ne se contentent pas de la réalité visible : ils veulent arriver au fond de cette réalité pour découvrir si elle est, comme ils le pensent, fondée sur la simplicité absolue que laisse apparaître l’univers initial. Ils espèrent observer une série de particules qui forment en fait différents « ensembles » d’un groupe de particules élémentaires. Les scientifiques ont l’espoir de voir l’unification des quatre forces fondamentales de la nature qui agissent sur ces particules (ces forces sont : l’interaction faible – responsable de la radioactivité, l’électromagnétisme, l’interaction forte – responsable de l’existence des protons et des neutrons, et la gravitation).

Le premier pas de ce trajet vers l’unification des forces a été réalisé avec la découverte presque certaine de la particule de Higgs : c‘est l’union de deux forces élémentaires –l’électromagnétisme et l’interaction faible, qui deviennent l’interaction électrofaible.

Un aspect du boson de Higgs, qui porte le nom du physicien écossais Peter Higgs, est qu’il donne une masse aux porteurs de l’interaction faible, les particules W et Z (le porteur de la force électromagnétique reste sans masse).
 
 
La plus grande machine du monde
Dans leur tentative de découvrir le boson de Higgs, d’unifier les forces fondamentales et de comprendre l’origine de la masse dans l’univers, les scientifiques ont construit la machine la plus grande du monde : un accélérateur de particules construit dans un tunnel circulaire de 27 kilomètres de long, à une profondeur de 100 mètres sous la frontière franco-suisse, dans le laboratoire européen de physique des particules (CERN), près de Genève.

Cet accélérateur, le LHC (initiales de Large Hadron Collider = Grand collisionneur de hadrons) accélère des faisceaux de protons jusqu’à 99,999998 % de la vitesse de la lumière. Selon la théorie de la relativité, ceci fait que leur masse devient 7500 fois supérieure à celle de leur masse normale au repos. L’accélérateur dirige les faisceaux directement l’un vers l’autre, provoquant des collisions qui libèrent une si grande énergie que les protons explosent. En un clin d’œil, des conditions semblables à celles qui existaient dans l’univers lors de la première fraction de seconde après le Big Bang sont présentes dans l’accélérateur.

Il s’ensuit que des particules de matière se transforment en énergie, conformément à la fameuse équation d’Albert Einstein qui décrit la conversion de la matière en énergie : E=mc2. L’énergie se propage ensuite dans l’espace et le système se refroidit (il s’est passé un événement semblable lors de l’évolution initiale de l’univers). Il s’ensuit que l’énergie forme à nouveau des particules de matière et le phénomène se répète jusqu’à la formation des particules qui peuvent exister dans la réalité comme nous la connaissons.

Les collisions forment des particules énergétiques, dont certaines n’existent que pendant une période de temps extrêmement courte. Le seul moyen de percevoir leur existence est d’identifier les traces qu’elles laissent. Dans ce but, une série de détecteurs de particules ont été développés, chacun destiné à capturer des types particuliers de particules.
 
 
Statistiques
La probabilité de créer le boson de Higgs dans une seule collision est comparable à celle d’extraire au hasard une cellule vivante bien précise d’une feuille d’une plante, parmi toutes celles qui remplissent la Terre. Pour effectuer cette tâche, des chercheurs de l'Institut Weizmann, sous la direction du professeur Mikenberg, ont développé des détecteurs de particules originaux qui ont été fabriqués à l’Institut, ainsi qu’au Japon et en Chine. Ces détecteurs ont été construits dans le but de détecter des particules appelées « muons ». Dans certaines de ces très rares collisions qui produisent les particules de Higgs, la trace de la particule de Higgs, telle qu’elle est enregistrée dans les détecteurs, est de quatre muons énergétiques. La détection de ces muons fournit ainsi une preuve indirecte de l’existence de la particule de Higgs.

Les chercheurs ont analysé les données fournies par mille billions de collisions de protons, dans lesquelles les bosons de Higgs sont créés en même temps que beaucoup d’autres particules semblables. C’est lorsque les scientifiques ont cherché des anomalies dans les données qu’ils avaient réunies (en comparaison avec les données anticipées si cette particule n’existe pas) qu’ils ont pensé y trouver la preuve de la présence de particules de Higgs. Cette recherche s’est concentrée sur la masse estimée de la particule : 126 billions d’électrons-volts (Gev). Lorsque les scientifiques réussissent à trouver ces anomalies, ils doivent éliminer la possibilité qu’elles sont dues à des fluctuations statistiques.

Les calculs effectués par des scientifiques ces dernières semaines, dans lesquels le professeur Gross a joué un rôle prépondérant, ont montré, avec un haut degré de signification statistique, une nouvelle particule ayant une masse égale à celle que devrait avoir celle de Higgs. La formulation est délibérément faite avec prudence, elle laisse place à la possibilité qu’une nouvelle particule, qui ne soit pas celle de Higgs, puisse avoir une masse du même ordre de grandeur. La probabilité qu’il s’agisse effectivement d’une nouvelle particule est assez faible (mais selon certains physiciens, s’il s’agissait d’une autre particule que le boson de Higgs, les choses deviendraient « vraiment intéressantes »).
 
 
CERN
Les scientifiques du CERN ont inventé et développé le langage de programmation et les principes fondamentaux qui ont servi par la suite de base pour la création de l’internet. De fait, le premier serveur du World Wide Web a été mis en œuvre au CERN pour faciliter la communication entre les chercheurs qui, dispersés un peu partout dans le monde, participaient à des expériences menées localement sur le site du CERN. L’organisation a aussi servi de modèle pour la formation de l’Union européenne, et son influence sur la technologie et l’économie de l’Europe rappelle le programme spatial des Etats-Unis.
 
L’accélérateur de particules LHC est basé sur les électroaimants supraconducteurs fonctionnant à des températures très basses (-271° Celsius), moins de deux degrés au-dessus du zéro absolu. Il génère environ un milliard de collisions de particules par seconde : s’il s’agissait d’êtres humains, ce serait comme si chaque personne vivant sur la planète rencontrait toutes les six secondes chacun des six milliards d’habitants du monde. Calculer et analyser les données de ces collisions est comme essayer de comprendre ce que tous les habitants du monde sont en train de dire, en menant chacun vingt conversations téléphoniques à la fois.

Ce système expérimental comprend les électroaimants supraconducteurs les plus grands du monde, construits en collaboration avec des sociétés israéliennes. L’ensemble de la structure comprend 10 000 détecteurs de radiation situés à un seul millimètre l’un de l’autre, et un volume de 25 000 mètres cubes et un demi-million de canaux électroniques. La plupart des détecteurs de radiation de muons ont été construits à partir de pièces produites en Israël. Un système spécial de lasers repère l’emplacement précis des détecteurs avec une précision de 25 microns (la moitié de l’épaisseur d’un cheveu humain).
 
 
La recherche du professeur Ehud Duchovni est financée par : les amis de l'Institut Weizmann à la mémoire de Richard Kronstein ; Nella and Leon Benoziyo Center for High Energy Physics, et par Yeda-Sela Center for Basic Research. 
Le professeur Duchovni est titulaire de la chaire professeur Wolfgang Gentner de Physique nucléaire.

La recherche du professeur Eilam Gross est financée par les amis de l'Institut Weizmann à la mémoire de Richard Kronstein.

La recherche du professeur Giora Mikenberg est financée par le Nella and Leon Benoziyo Center for High Energy Physics qu’il dirige.
Le professeur Mikenberg est titulaire de la chaire Lady Davis de Physique expérimentale.

Les personnes suivantes ont contribué à la construction du Mexico Building Laboratory for Development & Construction of Particle Detectors : Lazaro Becker; Mauricio Gerson; Abraham et Rebeca Itzkovich; Armando et Maria Jinich; Abraham et Elena Kahn; Robert Kazdan; Benito Lasky; Ramon et Rebecca Marcos; Stella et Rafael Rayek; le défunt Leon Schidlow et Lily Schidlow; Luis et Miriam Stillmann.
 

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