La découverte du boson de Higgs vue de l’intérieur

Le CERN a construit deux détecteurs ultrasensibles, dont celui-ci nommé CMS, qui sont capables de déceler tous les débris de la désintégration du boson de Higgs et de les différencier les uns des autres.
Photo: Source CERN Le CERN a construit deux détecteurs ultrasensibles, dont celui-ci nommé CMS, qui sont capables de déceler tous les débris de la désintégration du boson de Higgs et de les différencier les uns des autres.
Dans Qu’est-ce que le boson de Higgs mange en hiver, qu’elle publie ces jours-ci, la physicienne québécoise Pauline Gagnon raconte la grande aventure scientifique du CERN qui a permis de confirmer l’existence du boson de Higgs, et qui devrait dans les prochaines années révolutionner la physique en éclaircissant de grandes énigmes, telles que celle de la matière sombre et de la disparition de l’antimatière.​
 

Un des souvenirs les plus émouvants que relate Pauline Gagnon est sans contredit l’annonce de la découverte du boson de Higgs, le 4 juillet 2012. Elle qui avait participé à l’une des expériences ayant permis de mettre en évidence cette éphémère particule se remémore l’euphorie qui avait alors envahi les physiciens et physiciennes rassemblés au CERN (Organisation européenne pour la recherche nucléaire, aussi appelée Laboratoire européen de la physique des particules), à Genève, ainsi que ceux réunis dans un auditorium à Melbourne, en Australie, où débutait la grande conférence annuelle de physique des particules, qui assistaient à la retransmission en temps réel de l’événement.

« Les premiers théoriciens à avoir proposé l’existence du boson de Higgs étaient aussi présents dans la salle du CERN. L’humble Peter Higgs avait la larme à l’oeil tandis que François Englert jubilait », raconte Mme Gagnon, avant de préciser que c’était la première fois que les deux hommes se rencontraient.

On comprend leur émotion car ce sont eux, le Belge François Englert en collaboration avec son collègue Robert Brout décédé en 2011, d’un côté, et le Britannique Peter Higgs de l’autre, qui ont publié en 1964, à un mois d’intervalle, chacun un article décrivant le même mécanisme, surnommé mécanisme de Brout-Englert-Higgs, qui permet d’expliquer comment les particules fondamentales acquièrent leur masse.

« Les modèles de l’époque ne produisaient que des particules sans masse alors qu’on savait que presque toutes en ont une. Seuls le photon et le gluon n’en ont pas », rappelle Mme Gagnon. Or ce mécanisme révèle l’existence d’un champ, aujourd’hui appelé champ de Brout-Englert-Higgs, qui est apparu immédiatement après le Big Bang et qui depuis remplit tout l’Univers. « Ce champ est comme la trame de l’Univers. Les particules qui se promènent dans l’espace se prennent les pieds dans cette trame, ce qui les ralentit. » Or, en vertu des principes de la conservation de l’énergie et de l’équivalence entre la masse et l’énergie (E = mc2), l’énergie cinétique qu’elles perdent est transformée en masse. Ainsi, plus une particule interagit fortement avec le champ, plus sa masse sera élevée.

Et le fameux boson de Higgs… « il est en fait une excitation de ce champ. Grâce au Grand Collisionneur d’hadrons (LHC) du CERN, on a réussi à exciter la trame de l’Univers en concentrant énormément d’énergie sur un tout petit point. On a ainsi créé l’équivalent d’une vague sur le champ de Brout-Englert-Higgs et cette vague est le boson de Higgs. Le fait d’avoir vu le boson de Higgs nous a donné la preuve que le champ de Brout-Englert-Higgs existe bel et bien », explique la physicienne.

Pour vérifier l’hypothèse formulée par les théoriciens Brout, Englert et Higgs, les expérimentateurs, comme Pauline Gagnon, ont conçu deux détecteurs ultrasensibles qui seraient capables de déceler tous les débris de la désintégration du boson de Higgs et de les différencier les uns des autres. « Le boson de Higgs est une particule extrêmement instable qui survit à peine 10-22 seconde (soit un dix-millième de milliardième de milliardième de seconde) après avoir été produite car elle se désintègre aussitôt en d’autres particules. Les détecteurs n’observent donc pas le boson de Higgs lui-même, mais les produits de sa désintégration », spécifie Mme Gagnon.

Le travail de 6000 personnes pendant 20 ans a été nécessaire pour construire les deux grands détecteurs, ATLAS et CMS, qui ont servi à identifier la fameuse particule que l’on devrait appeler en principe boson de Brout-Englert-Higgs. « Les instruments de mesure utilisés dans chacun de ces deux détecteurs sont complètement différents. Les deux équipes travaillent de façon complètement indépendante. Les expériences menées sont également distinctes et visent à corroborer les résultats de l’autre. Au final, quand les deux détecteurs arrivent à la même réponse, cela confirme que c’est exact. Le boson de Higgs a ainsi été observé dans les deux expériences en même temps. Mais chaque équipe n’a révélé ses résultats que le 4 juillet 2012 », précise Pauline Gagnon, avant de souligner qu’un an plus tard, en octobre 2013, François Englert (81 ans), de l’Université libre de Bruxelles, et Peter Higgs (84 ans), de l’Université d’Édimbourg, se sont vu décerner le prix Nobel pour cette découverte.

Ravie que le boson de Higgs soit au centre de la suprême récompense, Pauline Gagnon déplore toutefois que le comité Nobel n’ait pas inclus le CERN parmi les lauréats, car « sans les efforts des 6000 chercheurs du CERN, il n’y aurait pas eu la découverte de la particule qui a permis de confirmer leur hypothèse, que l’on n’aurait pas crue autrement. Aucun chercheur seul ne peut prétendre avoir découvert le boson. Sans la construction du détecteur, sans la prise des données, sans leur analyse, sans le débogage de cet appareil hypercomplexe, ça n’aurait pas été possible », déclare cette missionnaire du boson de Higgs.

Et après… les particules supersymétriques

En mai prochain, le LHC redémarrera après un arrêt technique de deux ans qui a permis de procéder à des travaux visant à augmenter la puissance de l’accélérateur et à installer de nouveaux détecteurs plus performants. Ces travaux permettront notamment de fournir une énergie de 13 TeV (téra électronvolts ou 1012 eV) à chaque proton qui sera accéléré, soit presque le double des 8 TeV générés entre 2010 et 2013. Le LHC fonctionnera aussi avec des faisceaux de protons plus denses, qui contiendront une plus grande quantité de protons par centimètre carré et par seconde, ce qui permettra d’augmenter les chances que surviennent des collisions entre les protons. Un plus grand nombre de collisions permettra de quadrupler le volume de données recueillies, et ainsi d’accroître les possibilités d’observer des phénomènes plus rares. Opérer à plus haute énergie élèvera « les chances de produire des particules plus lourdes, et par conséquent de trouver de nouvelles particules », comme, par exemple, des particules supersymétriques.

On ne connaît à l’heure actuelle que 5 % du contenu de l’Univers, le reste étant de la matière sombre et de l’énergie sombre, rappelle Pauline Gagnon. Or les modèles théoriques actuels, comme le modèle standard, ne décrivent que la matière visible, qui ne représente que ces 5 % de l’Univers. « Une extension possible au modèle standard est la supersymétrie qui comprend des particules ayant toutes les caractéristiques de la matière sombre. Cette hypothèse est celle qui reçoit le plus d’attention en ce moment de la part des physiciens, parce que c’est celle que l’on peut tester le plus facilement », souligne la physicienne avant d’affirmer que la supersymétrie pourrait doubler, voire tripler le nombre de particules élémentaires.

« On a beaucoup cherché la supersymétrie. Peut-être qu’elle n’existe pas et qu’on a fait fausse route, ou peut-être qu’on n’a pas cherché de la bonne façon, ou encore que le LHC ne générait pas suffisamment d’énergie pour créer des particules supersymétriques, qui sont vraisemblablement très lourdes. Lors de l’ouverture du LHC en 2010, c’est la première chose que l’on croyait découvrir. C’est comme pour le boson de Higgs, on ne l’a pas trouvé plus tôt parce que le LHC n’avait pas assez d’énergie pour le produire en quantité suffisante », explique Mme Gagnon, avant de souligner que le boson de Higgs est la plus lourde particule après le quark top.

Les physiciens du CERN étudieront aussi en détail comment les quarks b et leur contrepartie, les antiquarks b, qui sont dotés d’une masse équivalente mais qui portent une charge opposée, se désintègrent, dans l’espoir de déceler une anomalie qui favoriserait la disparition de l’antimatière au profit de la matière, et qui permettrait de comprendre pourquoi la quantité d’antimatière dans l’Univers est si minime alors qu’au moment du Big Bang, des quantités égales de matière et d’antimatière auraient été produites.

Si les prochaines années ne permettent pas d’élucider ces mystères, les physiciens pourront encore espérer y arriver en 2020, voire en 2025, alors que des travaux de consolidation du LHC en 2018 et en 2022 permettront de multiplier respectivement par 12 et par 120 la quantité de données accumulées en 2013, quantité qui atteignait déjà 2,5 millions de milliards d’événements, sachant qu’« un événement équivaut à un cliché pris par le détecteur à la suite de la collision de deux protons et qui montre où sont passés tous les fragments provenant des particules formées à partir de l’énergie dégagée lors de ces collisions ».

Conférences

Pauline Gagnon donnera une série de conférences à travers le Québec au cours des prochaines semaines.

2 mars à 19 h École de technologie supérieure (ETS), à Montréal

6 mars Centre d’études collégiales en Charlevoix, à La Malbaie

10 mars Université Laval, à Québec

11 mars Centre national d’exposition, à Jonquière

12 mars Auditorium, école secondaire de l’Odyssée/Lafontaine, à Chicoutimi

Le Grand Collisionneur d’hadrons (LHC)

Situé à 100 mètres sous terre pour échapper aux rayons cosmiques qui pourraient perturber les expériences, le Grand Collisionneur d’hadrons, ou LHC (Large Hadron Collider), comprend un accélérateur de protons, qui appartiennent à la famille des hadrons, d’où le nom donné à l’accélérateur. Les protons sont accélérés jusqu’à ce qu’ils atteignent une vitesse approchant celle de la lumière (99,999999 % de la vitesse de la lumière). Ils circulent dans deux tubes parallèles qui forment un anneau de 27 km de circonférence. De puissantes pompes à vide évacuent l’air qui aurait pu s’infiltrer dans ces tubes. « Autrement, les faisceaux de protons parcourraient moins d’un millimètre avant d’être déviés par une molécule d’air », écrit Mme Gagnon dans Qu’est-ce que le boson de Higgs mange en hiver, avant d’ajouter que les parois des tubes sont recouvertes d’un matériau spécial inventé au CERN. « Ce matériau absorbe les quelques molécules d’air restantes, un peu comme un collant à mouches. »

Les deux faisceaux de protons sont amenés à entrer en collision au moment où ils passent au centre de quatre détecteurs, qui entourent les tubes à l’intérieur desquels circulent les protons. Ces détecteurs, dont les plus gros sont ATLAS et CMS, agissent comme des caméras qui captent l’énergie dégagée ainsi que les produits de la désintégration des protons. Le détecteur ATLAS, par exemple, peut prendre un million de photos à la seconde.

L’anneau de 27 km est également enveloppé de multiples aimants qui sont refroidis à –271 °C, température à laquelle ils deviennent supraconducteurs, c’est-à-dire qu’ils « n’offrent plus aucune résistance au passage d’un courant électrique ». Des aimants supraconducteurs sont donc beaucoup plus puissants que des aimants conventionnels, qui n’auraient pas été en mesure de faire courber les faisceaux de protons suffisamment pour les maintenir en rangs serrés sur l’orbite circulaire de l’accélérateur.

Lors de chaque collision, l’énergie libérée génère «toutes sortes de particules, dont de temps à autre des bosons de Higgs», souligne Pauline Gagnon. Sachant qu’un «événement est la reconstitution de la désintégration d’une particule produite lors de la collision de deux protons», il a fallu «recueillir cinq milliards d’événements pour espérer y trouver un seul boson de Higgs», lequel était perdu à travers un immense bruit de fond.

Qu’est-ce que le boson de Higgs mange en hiver. Et autres détails essentiels

Pauline Gagnon, Éditions MultiMondes, 2015

3 commentaires
  • Cyril Dionne - Abonné 27 février 2015 22 h 36

    Bravo !

    Bravo Mme Gagnon. Tout comme M. Yves Sirois, dans le monde de la supersymétrie, vous êtes une de nos "photinos" les plus brillantes du firmament québécois.

  • Denis Paquette - Abonné 28 février 2015 01 h 49

    La realité est imbuvable, un petit délire avec ca

    Je savais que tot ou tard que les créationnistes allaient contre attaquer, le pouvoir n'abandonne jamais facilement , surtout que ca veut souvent dire beaucoup de sous, mais soyez sur que nous sommes qu'au debut, tous les moyens vont etre bons, tous les réthoriciens et les sophistes vont s'en donner a coeur joie, n'est ce pas deja commencé, pourquoi les humains changeraient, nous n'en sommes pas a une absurdité près, les humains ont toujours préférés le délire a la realité, les chinois appellent cela nos dragons intérieures, peut etre que la realité est imbuvable

  • Claude Trudel - Abonné 28 février 2015 12 h 25

    Appréciation


    Félicitations et merci pour votre article captivant sur cette importante découverte scientifique et la contribution de la physicienne Pauline Gagnon!