Dix ans après le boson de Higgs, la chasse aux nouvelles découvertes en physique est lancée

Dans la verdoyante vallée du Rhône juste à l’ouest de Genève, un jeu de hasard élaboré est sur le point de commencer.

En jeu : la possibilité d’entrevoir les secrets les plus profonds de la nature. Le pari : plus de 400 millions de dollars dépensés et plus de trois ans et demi de travail par des scientifiques du monde entier pour rééquiper et réactiver le Large Hadron Collider, l’accélérateur de particules le plus puissant jamais construit.

Il y a dix ans, le LHC a attiré l’attention du monde lorsqu’il a fourni la preuve définitive de l’existence du boson de Higgs, la particule insaisissable qui complète la théorie régnante de la matière connue sous le nom de modèle standard.

Mardi, un jour après le 10e anniversaire de cette étape importante du prix Nobel, les chercheurs allumeront leurs détecteurs et espèrent à nouveau utiliser le LHC pour faire tourner de l’or scientifique.

Cette fois, leur objectif n’est pas simplement de voyager aux confins de l’inconnu. Il s’agit d’utiliser toute l’énergie et la ruse qu’ils peuvent rassembler pour dépasser cette limite et s’emparer de quelque chose – n’importe quoi – qui se trouve au-delà de l’horizon impénétrable du modèle standard.

Personne ne conteste qu’il y ait quelque chose à y trouver. Il y a trop de questions sans réponse et de phénomènes inexpliqués pour que le paradigme actuel de la physique des particules ait le dernier mot. L’exemple le plus flagrant est la matière noire, une substance non identifiée qui imprègne l’univers mais n’a pas sa place dans le modèle standard.

Que le LHC puisse éclaircir ce mystère ou d’autres est une question ouverte. C’est le pari que des milliers de chercheurs de plus de 100 pays ont fait en se rassemblant cette semaine pour reprendre leur exploration des fondements de la réalité.

“Les gens sont tellement excités. C’est en quelque sorte le début d’une nouvelle ère », a déclaré Manuella Vincter, porte-parole adjointe d’ATLAS, l’un des quatre détecteurs de particules géants stationnés le long de l’anneau de 27 kilomètres de long du LHC. Le Canada est l’un des 42 pays qui fournissent des ressources au détecteur.

Professeur de physique à l’Université Carleton à Ottawa, M. Vincter est basé au LHC bien avant le début de la pandémie. Elle a déclaré que le COVID-19 avait ralenti les progrès des mises à niveau du collisionneur, qui est en arrêt programmé depuis fin 2018.

Le manque de nouvelles données qui en résulte, associé à deux ans de restrictions de voyage, a bloqué toute une cohorte de jeunes scientifiques qui auraient autrement afflué vers le CERN, le centre de recherche européen où se trouve le LHC.

Maintenant, dit le Dr. Vincter, il y a un regain d’exubérance alors que le collisionneur revient à l’action et que les chercheurs convergent vers le CERN, désireux de partager ce sur quoi ils ont travaillé.

Lundi, un symposium spécial anniversaire servira de point focal, mettant en vedette de nombreux scientifiques de haut niveau qui ont joué un rôle dans la découverte du Higgs.

Il y a beaucoup à célébrer, même si moins que ce que les physiciens auraient pu espérer lorsque le LHC a commencé sa première exploitation opérationnelle à la fin de 2009.

A cette époque, le modèle standard se composait de 16 particules qui sont les constituants fondamentaux de la matière et de l’énergie. Trois d’entre eux, dont le quark up, le quark down (qui se combinent pour former des protons et des neutrons) et l’électron, constituent les atomes de notre monde quotidien.

La plupart des particules restantes ont une durée de vie trop courte pour être observées, sauf dans des expériences de physique. Quatre d’entre eux – connus sous le nom de bosons en raison de leurs propriétés quantiques – transmettent les forces qui opèrent à l’intérieur et entre les atomes.

Mais alors même que le modèle standard émergeait dans les années 1960, les théoriciens ont reconnu qu’il fallait autre chose pour expliquer bon nombre de ses caractéristiques, notamment pourquoi certaines particules ont une masse alors que d’autres n’en ont pas. La solution implique un boson supplémentaire qui a la capacité de doter la masse en fonction du degré auquel il interagit avec d’autres particules.

L’explication a été élaborée pour la première fois en 1964 par le théoricien britannique Peter Higgs et indépendamment par deux autres équipes de recherche. Mais c’est Higgs dont le nom reste apposé sur la particule qu’ils ont proposée.

Pour prouver l’exactitude de l’idée, les expérimentateurs ont dû observer le boson de Higgs dans la nature – une tâche pas facile puisque la particule se désintègre en moins d’un milliardième d’un billionième de seconde. Il faudrait que le LHC, qui écrase les protons voyageant dans un anneau d’accélérateur à 99,9999991 % de la vitesse de la lumière, pour faire le travail.

En puisant dans l’énergie momentanément libérée lors de telles collisions, les lois de la physique permettent aux particules, dont les bosons de Higgs, de surgir avec une certaine probabilité. Dans la roulette géante qu’est le LHC, les protons entrent en collision environ 40 millions de fois par seconde dans chaque détecteur, mais seulement un millier de ces collisions peuvent produire un boson de Higgs.

Même dans ce cas, la particule est trop fugace pour être détectée, mais ses sous-produits peuvent être mesurés. En combinant les résultats de nombreuses détections, les propriétés du boson de Higgs peuvent être déduites avec une grande précision.

La préparation de la découverte du Higgs a été une période exaltante, a déclaré Mike Lamont, directeur des accélérateurs et de la technologie au CERN. Des équipes travaillant en parallèle avec ATLAS et CMS, un détecteur distinct, menaient la chasse.

“Ils savaient qu’il y avait quelque chose à la fin de 2011”, a-t-il déclaré. “Nous sommes donc entrés en 2012 en travaillant vraiment pour maximiser le fonctionnement de la machine à son apogée, puis en le maintenant aussi longtemps que nous le pouvions.”

L’effort a payé. Le 4 juillet 2012, des représentants des deux équipes se sont réunis dans l’auditorium principal du CERN pour présenter leurs résultats confirmant l’existence du boson de Higgs lors d’un briefing diffusé en direct qui est devenu le moment phare du LHC.

Beaucoup s’attendaient à ce que d’autres découvertes suivent bientôt, y compris des particules jusque-là non observées ouvrant la voie à une nouvelle théorie au-delà du modèle standard. Au lieu de cela, le LHC a montré que la nature était parcimonieuse. Même après que l’énergie des faisceaux de protons opposés du collisionneur ait été doublée pour une deuxième période à partir de 2015, aucune de ces particules ne s’est matérialisée.

Depuis lors, le Higgs, une fois le prix, est devenu l’outil dans la recherche de déviations subtiles par rapport au modèle standard qui pourraient être des indices de quelque chose de nouveau. Ce qui est le plus surprenant dans les résultats jusqu’à présent, c’est le peu de surprises à signaler.

Pierre Savard, physicien de l’Université de Toronto et membre de l’équipe ATLAS, a déclaré que lorsqu’il était étudiant diplômé dans les années 1990, de nombreux collègues auraient parié n’importe quoi, de « leur voiture, leur maison, jusqu’à la chemise qu’ils avaient sur le dos » que Le LHC, une fois construit, produirait quelque chose de nouveau après la découverte du boson de Higgs.

Au lieu de cela, a-t-il dit, “ce boson de Higgs est vraiment un modèle standard de Higgs et la théorie fonctionne très bien.”

Même ainsi, au moins un indice provisoire a émergé dans un autre des détecteurs du collisionneur, appelé LHCb. L’indice équivaut à un léger déséquilibre entre les observations de deux manières dont le quark bottom, l’une des particules du modèle standard, peut se désintégrer.

Le modèle prédit que les deux modes devraient être égaux, mais LHCb a vu le contraire. Avec plus de données, l’anomalie pourrait disparaître, il suffit de voir que le nombre de fois qu’une pièce tombe sur pile ou face a tendance à s’égaliser plus la pièce est lancée. Mais si le déséquilibre persiste, le résultat de LHCb pourrait représenter une véritable divergence par rapport aux lois connues de la physique.

Entre-temps, les travaux ont progressé pour extraire autant de performances que possible du collisionneur pour la troisième manche, qui commence cette semaine. Après trois ans de mises à niveau, les collisions ne seront que légèrement plus puissantes qu’auparavant. Mais il existe des différences importantes dans la manière dont l’énergie des faisceaux de protons sera utilisée et dont les détecteurs fonctionneront pour extraire des données utiles à un rythme plus élevé.

Le principal défi n’est pas de générer plus de collisions – le LHC en produit déjà bien plus qu’aucun ordinateur n’a la capacité d’en stocker – mais de choisir celles qui sont les plus révélatrices. Pour tirer le meilleur parti d’ATLAS, par exemple, les scientifiques ont installé de nouveaux composants de détection pour aider à distinguer les collisions les plus intéressantes.

“Nous espérons en fait que dans trois ans, nous pourrons doubler l’ensemble de données existant”, a déclaré Isabel Trigger, membre de l’équipe ATLAS et chercheuse scientifique à l’accélérateur de particules TRIUMF à Vancouver.

En regardant plus loin, le Dr. Trigger a déclaré qu’elle et ses collègues travaillent déjà sur une quatrième version plus ambitieuse de la machine appelée “LHC à haute luminosité” qui pourrait commencer dès 2027, et voir le collisionneur continuer à fonctionner jusqu’en 2040 environ.

Dr. Lamont a déclaré qu’il avait déjà commencé une étude de faisabilité pour un anneau d’accélérateur de 91 kilomètres qui reprendrait là où le LHC s’était arrêté au cours de la seconde moitié de ce siècle. Mais la construction d’une telle machine dépend de ce que les physiciens sont capables de trouver d’ici là pour motiver le plan.

En fin de compte, a-t-il dit, “vous faites tout ce que vous pouvez pour arranger les choses, puis vous devez prendre du recul et voir ce qui se passe. La nature ne va pas se plier simplement parce que nous regardons.”

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