L'année 2011 fut rien de moins que bouleversante pour les physiciens, qui d'un côté ont encore du mal à croire que des neutrinos ont dépassé la vitesse de la lumière et qui de l'autre sont persuadés d'avoir enfin cerné la bête qu'ils traquaient depuis des dizaines d'années: l'insaisissable boson de Higgs.

Quand le groupe du Pr Dario Autiero, de l'Institut de physique nucléaire de Lyon, a annoncé à la mi-septembre avoir observé que des neutrinos, particules élémentaires de la matière, se déplaçaient à une vitesse supérieure à celle de la lumière, une limite con-sidérée jusqu'à aujourd'hui comme infranchissable en vertu de la théorie de la relativité restreinte d'Einstein, la nouvelle s'est répandue dans le monde entier comme une traînée de pou-dre. Physiciens aussi bien que novices étaient ébahis par cette information qui dépassait l'entendement. L'observation avait été faite dans le cadre d'une expérience qui avait consisté à produire des neutrinos dans le grand accélérateur de particules du CERN (l'Organisation européenne pour la recherche nucléaire), situé sous la frontière franco-suisse, et à mesurer le moment de leur arrivée au laboratoire souterrain de Gran Sasso en Italie.

D'après les calculs des expérimentateurs, les 15 000 neutrinos détectés à Gran Sasso avaient mis 60 nanosecondes de moins que la lumière à parcourir cette distance de 730 kilomètres, que la lumière franchissait en 2,4 millisecondes. En d'autres termes, les neutrinos avaient une avance de 20 mètres sur la lumière à leur arrivée.

Les expérimentateurs eux-mêmes étaient d'abord incrédules, mais après maintes vérifications, ils décidèrent de faire part de leur observation insolite à la communauté scientifique, afin que des équipes indépendantes contre-vérifient les résultats et tentent de les reproduire.

À la mi-novembre, les mêmes chercheurs affirmaient avoir obtenu des résultats similaires avec un nouveau type de faisceau de protons — dont les impulsions servant à produire les neutrinos sont ultracourtes (trois nanosecondes ou milliardièmes de seconde) et espacées de 524 nanosecondes — qui a permis d'accroître la précision des mesures.

«La majorité des physiciens demeurent néanmoins sceptiques et ont du mal à accepter [que les neutrinos ont dépassé la vitesse de la lumière], car la relativité d'Einstein nous dit qu'on ne peut pas dépasser la vitesse de la lumière. Or les équations d'Einstein sont vérifiées tous les jours dans les accélérateurs; il est donc absolument certain qu'elles fonctionnent très bien, souligne Georges Azuelos, professeur au Département de physique de l'Université de Montréal. Mais comme nous n'avons pas participé à l'expérience, nous ne pouvons pas nous permettre de juger et de dire qu'ils ont fait une erreur, d'autant qu'il s'agit de physiciens très sérieux et d'ingénieurs très compétents qui ont fait toutes les mesures. La plupart des physiciens croient qu'il doit y avoir une erreur quelque part, une erreur très subtile qui est difficile à détecter.»

Georges Azuelos aimerait bien que l'observation faite au CERN soit fidèle à la réalité. «Ce serait vraiment fantastique, voire révolutionnaire, un peu comme la relativité d'Einstein qui a été une façon tout à fait nouvelle de voir le monde. Si vraiment les neutrinos vont plus vite que la lumière, c'est qu'il y a quelque chose de très fondamental qu'on ne connaissait pas.»

Si l'observation est confirmée, cela voudra donc dire que le neutrino muonique — la catégorie de neutrino observée par l'équipe du CERN — est «une particule qui n'est pas du tout comme les autres et qui vit dans un autre monde. On peut imaginer qu'elle vit dans un monde à part, mais qui se manifeste néanmoins dans notre monde. Depuis que la nouvelle a été annoncée, une multitude de conjectures sur ce que ce phénomène pourrait signifier ont été formulées. Certains physiciens émettent l'hypothèse que la vraie vitesse [limite] serait celle des neutrinos et que la lumière n'irait pas aussi vite parce qu'elle est ralentie. [...] D'autres avaient déjà proposé le concept de tachyons, des particules qui se déplaceraient plus vite que la lumière, qui peut être prévu dans certaines théories des cordes. Il s'agit toutefois d'un concept mathématique qu'on n'a jamais observé et qu'on ne prend pas trop au sérieux», fait savoir M. Azuelos, tout en indiquant que, parmi toutes les hypothèses formulées, aucune n'est vraiment convaincante.

Chose certaine, l'observation du Pr Autiero est encore loin d'être corroborée.

Boson de Higgs, le chaînon manquant

Lorsque des expérimentateurs du CERN ont annoncé en décembre détenir des indices suggérant l'existence du boson de Higgs, la communauté des physiciens a jubilé plus qu'elle n'a été ébranlée par la nouvelle. Car on recherchait cette particule depuis que son existence avait été proposée dans les années 1960 par les physiciens Peter Higgs, Robert Brout et François Englert. Lesquels attribuaient au boson de Higgs le pouvoir de conférer une masse particulière aux différentes particules composant l'Univers.

«Le boson de Higgs est la particule qui manque dans l'édifice du modèle standard [la théorie qui décrit toutes les particules élémentaires constituant la matière et les forces fondamentales de l'Univers (électromagnétique, ainsi que les forces faible et forte]. Toutes les particules prédites par ce modèle ont été découvertes, à l'exception du boson de Higgs», précise M. Azuelos tout en rappelant que «le modèle standard est tout à fait en accord avec tout ce qu'on a observé jusqu'à présent. Toutes les mesures de précision qui ont été faites jusqu'à maintenant sont tout à fait conformes avec ce qui est prédit par ce modèle».

Les collisionneurs à notre disposition ne généraient pas suffisamment d'énergie pour produire le boson de Higgs, cette particule très éphémère qui, une fois qu'elle a été créée, se désintègre aussitôt en d'autres particules, et selon plusieurs «canaux de désintégration» différents. Ce qui rend très difficile sa détection, car «il faut en retrouver les débris et réussir à trouver la trace de ces événements rarissimes parmi un déluge d'autres événements qui souvent ont des caractéristiques très semblables, qu'on appelle le bruit de fond, explique Pauline Gagnon, physicienne au CERN. La technique consiste à évaluer le nombre d'événements que la théorie prévoit pour le bruit de fond et à voir si un excédent est décelé».

Or, dans le cadre des deux grandes expériences menées au Large Hadron Collider (LHC) du CERN à l'aide des détecteurs ATLAS et CMS, de petits excès — similaires dans les deux expériences menées indépendamment — dans trois canaux de désintégration ont été observés. Ces excès semblent être la signature qu'un boson de Higgs d'une masse de 125 gigaélectronvolts (GeV) a été créé, puis s'est désintégré. Toutefois, ces excès ne sont pas assez nombreux pour permettre de crier à la découverte. Mais si le collisionneur continue de bien fonctionner, on devrait arriver à une «conclusion définitive» en 2012, ont clamé les porte-parole des deux expériences.

Si les prochaines données confirment l'existence du boson de Higgs, «ce sera une consécration du modèle standard, car le boson en était le chaînon manquant. On aura une image très cohérente de toutes les particules et des forces que l'on connaît jusqu'à présent», déclare M. Azuelos, tout en précisant que le modèle standard ne sera pas complet pour autant. «La théorie de Newton marche très bien, mais quand on va à des extrêmes, il faut la relativité. De la même façon, le modèle standard marche très bien, mais quand on va à de très hautes énergies, il faut imaginer autre chose.»

Et s'il s'avère que le Higgs n'existe pas, les physiciens auront beaucoup plus de boulot puisqu'ils devront revoir de fond en comble le modèle standard.