Le Large Hadron Collider (LHC) a été construit sous la frontière franco-suisse principalement dans l'espoir de l'épingler, car jusqu'à maintenant il a toujours échappé à la traque des physiciens. Hier, ceux qui pourchassent l'insaisissable boson de Higgs au LHC ont affirmé avoir décelé des indices de son éphémère présence. Ils ne crient toutefois pas encore victoire, mais ils espèrent apporter la preuve définitive de leur prise dans un an.

Voilà plus de 40 ans que les physiciens espèrent observer le fameux boson de Higgs, qui tire son nom du physicien britannique Peter Higgs, lequel avait émis l'idée de son existence pour expliquer comment les particules produites au cours du Big Bang avaient acquis une masse.

Or, jusqu'à récemment, les physiciens n'avaient jamais pu voir cette particule, dont la théorie prédit l'existence. Tous les physiciens adhèrent à la théorie du modèle standard, qui décrit l'ensemble des particules élémentaires constituant la matière, mais dont «une des prédictions, celle de l'existence du boson de Higgs, n'a pas encore été confirmée. Tout le monde croit que le boson de Higgs existe, mais on cherche une preuve de son existence», souligne d'entrée de jeu David London, professeur au Département de physique de l'Université de Montréal.

On dit que le boson de Higgs est insaisissable en raison de sa grande instabilité, qui ne facilite pas la tâche des scientifiques qui tentent de confirmer expérimentalement son existence. Dès qu'il est produit, le boson de Higgs se désintègre aussitôt en d'autres particules. Et ce sont ses produits de désintégration que l'on essaie de détecter après avoir provoqué des collisions entre protons. «Lorsqu'un quark issu d'un premier proton percute un antiquark provenant de l'éclatement d'un autre proton apparaissent diverses particules, dont un boson z, lequel se désintègre en boson de Higgs. Ce dernier donne à son tour naissance à un quark b [pour bottom] et un antiquark b, qui tous les deux se décomposent en électron, positron, neutrino, antineutrino, quark c et antiquark c, que l'on capte dans les grands détecteurs du LHC», précise M. London.

Les deux grandes expériences menées au LHC à l'aide des détecteurs ATLAS et CMS ont présenté chacune de leur côté de fortes probabilités que le boson de Higgs ait une masse de 125 gigaéectronvolts (GeV), soit 125 fois celle d'un proton (1 GeV). «La signifiance statistique n'est toutefois pas suffisante pour permettre de conclure», a affirmé hier Guido Tonelli, porte-parole de l'expérience CMS, au cours d'une communication publique au CERN, l'organisation européenne pour la recherche nucléaire qui gère le LHC. «À ce stade, ce que nous voyons correspond soit à une fluctuation du bruit de fond, soit à la présence du boson. Des analyses plus fines et les données supplémentaires que nous fournira cette magnifique machine en 2012 nous donneront assurément la réponse.»

Une recherche difficile

La chasse au boson de Higgs n'est pas simple pour diverses raisons, explique M.London. «Aucun autre collisionneur n'était parvenu à produire des bosons de Higgs, car l'énergie des collisions qu'on y provoquait n'était pas suffisante», fait remarquer le physicien du Groupe de physique des particules de l'Université de Montréal.

Le LHC accélère deux faisceaux de protons à des vitesses approchant celle de la lumière avant de les diriger l'un contre l'autre, ce qui induit des collisions entre protons qui sont susceptibles de faire apparaître des bosons de Higgs qui auraient une masse de l'ordre de 125 GeV.

Deuxièmement, «les produits de la désintégration du boson de Higgs sont difficiles à détecter avec certitude, car le quark b et l'antiquark b qui en font partie peuvent aussi être produits par la désintégration d'autres particules, comme le boson z. Il faut donc non seulement pouvoir détecter les quarks b et antiquarks b, mais aussi mesurer leur énergie afin de s'assurer qu'ils proviennent bien d'un Higgs. Et comme la mesure de l'énergie de ces particules est approximative, il faut rassembler un nombre suffisant d'événements pour s'assurer qu'elles proviennent bien d'un Higgs et non du bruit de fond, lequel fait référence aux événements autres que ceux qui sont recherchés», explicite le chercheur.

David London se réjouit de l'annonce du CERN. Il n'avait bien sûr aucun doute sur l'existence du boson de Higgs, mais des preuves de son existence lui apparaissent nécessaires. «Lors d'un congrès de physique qui avait lieu en Inde cet été, les physiciens du LHC n'avaient toujours rien vu, rien trouvé à propos du boson de Higgs, tous leurs résultats étaient négatifs. Nous, les spécialistes des particules, étions profondément déçus, raconte-t-il. Cela veut donc dire que cet été, ils n'avaient pas accumulé assez de données, alors que maintenant les statistiques commencent à parler. Et quand le directeur du CERN nous dit de revenir dans un an, c'est qu'il croit qu'avec davantage de données, on disposera d'un signal statistiquement significatif.»

Si elle est confirmée, l'existence du boson de Higgs viendra essentiellement confirmer le modèle standard. «Subsisteront néanmoins d'autres interrogations, à savoir pourquoi les particules possèdent des masses différentes», soulève M. London, avant d'ajouter que la confirmation de l'existence d'un boson de Higgs ayant une masse de 125 GeV donnera aussi du poids à la «supersymétrie, un élément de la théorie des cordes qui prédit l'existence d'un boson de Higgs assez léger, c'est-à-dire de l'ordre de 125 GeV».

Quand on demande à David London pourquoi le boson de Higgs a été surnommé «particule divine», on sent tout de suite que la seule évocation de Dieu heurte l'esprit du physicien. «Aucun physicien n'y fait allusion, et ce n'est pas un physicien qui a lancé cette appellation qui veut probablement souligner le fait que le boson de Higgs donne une masse aux particules, et qu'il fait tout comme Dieu!», précise-t-il.

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Mise à jour, le 14 décembre 2011

Une physicienne du CERN nous a rappelé aujourd'hui que c'est le livre intitulé «The God Particle: if the Universe is the answer, what is the question?» du physicien états-unien Leon M. Lederman, lauréat du prix Nobel de physique en 1988, qui est à l'origine du surnom attribué au boson de Higgs, surnom qui est principalement utilisé dans les médias. Pour la petite histoire, Lederman aurait plutôt souhaité titrer son livre «Goddamn Particle» étant donné que personne n'arrivait à la trouver, mais son éditeur en aurait décidé autrement. Chose certaine, plusieurs physiciens n'apprécient guère cette appellation car pour eux, le boson de Higgs n'a rien à voir avec la religion.
-Pauline Gravel