Traquer le boson – Osons le Boson pour tous !

Le LHC ou l’artillerie lourde

inforsciences — Mon, 07 Oct 2013 11:49:11 +0000

Le Modèle Standard disposait donc d’un moyen de donner de la masse aux particules, mais encore fallait-il observer le boson de Brout-Englert-Higgs afin de valider ce modèle. Et pendant plus 48 ans (de 1964 à 2012) la particule resta cachée. Les physiciens n’avaient en effet pas les outils permettant de la découvrir. Ils ne pouvaient pas sonder assez profondément la matière pour révéler cette particule très difficile à mettre en évidence. Mais le 4 juillet 2012, deux groupes de scientifiques annonçaient à l’occasion d’une conférence au CERN qu’ils avaient découvert une nouvelle particule similaire au boson de Brout-Englert-Higgs. Mais comment peuvent-ils affirmer cela ?

Photographie du tube dans lequel les particules sont accélérées au LHC

CERN

Afin d’observer le boson de Brout-Englert-Higgs, nous devons créer les bonnes conditions pour qu’il montre le bout de son nez. En effet, pour observer le boson, il faut en premier lieu le créer. Etant donné qu’il est très massif, il se désintègre rapidement en d’autres particules. A cause de cela, il est improbable de l’observer dans la nature à l’état libre. Il faut donc le créer en fournissant assez d’énergie que pour qu’il apparaisse.

Pour cela, nous utilisons le LHC, Large Hadron Collider, qui est un accélérateur et collisionneur de particules. En collisionnant des particules à des vitesses extrêmement élevées, il est possible de créer de nouvelles particules grâce à l’énergie produite lors de la collision.

Créer des particules à partir d’énergie ?

La formule E = mc² vous dit-elle quelque chose ? Certainement ! Il s’agit probablement de la formule physique la plus connue au monde. Celle-ci nous dit qu’il existe une relation directe entre énergie et matière. Ainsi, de la matière peut être convertie en énergie et de l’énergie peut se transformer en matière. En collisionnant des particules à des énergies très élevées, celles-ci interagissent et se retransforment ensuite en d’autres particules. Ainsi, si l’on veut créer une particule très massive, il faut fournir beaucoup d’énergie.

Mais créer une particule une seule fois n’est pas suffisant, il faut répéter l’expérience un grand nombre de fois afin d’être certain de bien tenir la bonne particule. De plus, toutes les collisions ne donnent pas naissance à un boson de Brout-Englert-Higgs. Il faut donc une grande quantité de collisions, ou d’événements comme nous les appelons.

En devant répondre à toutes ces attentes, le LHC est ainsi devenu un monstre d’ingénierie battant tous les records. L’énergie des particules qui se collisionnent est équivalente à celle d’un moustique en vol mais concentrée dans un minuscule volume. Si vous agrandissiez le proton pour qu’il ait la même taille que le moustique, celui-ci aurait une énergie égale à l’énergie libérée par la plus grosse bombe atomique au monde. De plus, plusieurs millions de collisions se produisent chaque seconde au cœur du LHC.

Pour ce faire, certaines pièces de la machine doivent être refroidies à -271°C, soit à des températures plus basses que celle présente dans l’espace. Mais ce n’est pas tout, le tube dans lequel se collisionnent les particules doit être vide afin de ne pas provoquer des collisions avec l’air et est ainsi caractérisé par un vide plus poussé que celui présent dans l’espace intersidéral.

Vous l’aurez compris, le LHC est une incroyable machine qui permet aux scientifiques de sonder le domaine de l’infiniment petit, mais également de l’infiniment grand.

De l’infiniment grand ?

Hé oui, les conditions qui sont formées lorsque les particules entrent en collision sont celles qui régnaient au début de l’univers lorsque celui-ci était très chaud. Ainsi le LHC permettra peut-être de mieux comprendre les débuts de notre univers.

Où se cache le boson ?

inforsciences — Mon, 07 Oct 2013 11:37:43 +0000

Le LHC permet de créer le boson, mais celui-ci ne porte pas une pancarte montrant clairement sa présence, comment peut-on le détecter ?

Comme dit précédemment, le boson de Brout-Englert-Higgs est très massif et se désintègre rapidement en d’autres particules (raison pour laquelle nous ne le trouvons pas dans la nature). Mais il y a une astuce ! La manière dont le boson se désintègre est prédite par la théorie. Ainsi, nous connaissons la signature que laissera le boson lorsqu’il se désintègrera. Nous savons par exemple que le boson peut se désintégrer en deux photons.

Donc si après une collision nous observons deux photons, cela veut dire que nous avons créé un boson de Brout-Englert-Higgs qui s’est ensuite désintégré ?

Peut-être… En effet, d’autres processus physiques ont les mêmes signatures celles du boson de Brout-Englert-Higgs.

Imaginez que vous lanciez deux dés dont vous sommez ensuite le résultat. Si vous obtenez 12, cela veut dire que les deux dés sont tombés sur 6, il n’y a pas de doute là dessus. Mais si le total est 5, les dés pourraient être 1+4 ou 2+3.

Si dans l’exemple précédent nous nous intéressions à 1+4 que nous nommerons le « signal » ou encore ce que nous voulions observer, alors 2+3 est ce que nous appelons le « bruit de fond ». Celui-ci donne la même somme mais n’est pas ce que nous recherchions.

Nous devons donc faire la part des choses afin d’être sûrs d’avoir affaire à la bonne particule. Mais avant de savoir comment distinguer le signal du bruit de fond, regardons d’abord comment nous identifions la signature laissée par une particule.

Un autographe s’il-vous-plaît ! CMS, le détecteur de particules

inforsciences — Mon, 07 Oct 2013 10:22:57 +0000

Lorsque les particules interagissent et se désintègrent elles créent de nouvelles particules. Les particules résultant de ces désintégrations peuvent être vues comme la signature du processus qui vient d’avoir lieu. Mais avant de les interpréter, nous devons les détecter. Ces particules sont tellement petites que nous ne pouvons les observer à l’œil nu. Il faut donc des détecteurs de particules qui lors de chaque collision produite par le LHC observent ce qui se passe.

Comment observer quelque chose de si petit ?

Levez les yeux au ciel et cherchez un avion. Que voyez-vous ? Ce dernier laisse derrière lui de minces filets de nuages qui sont facilement visibles. Même si l’avion est parfois trop haut que pour être directement observé, les trainées qu’il laisse dans son sillage sont toujours visibles.

Pour les particules le même procédé est utilisé. Nous n’observons non pas la particule, mais ce qu’elle laisse derrière elle lorsqu’elle passe dans le détecteur.

Le détecteur

Un des détecteurs présents au LHC est CMS pour Compact Muon Solenoid. Tout comme le LHC, CMS est une machine énorme requérant une ingéniosité hors normes. CMS est un détecteur cylindrique de plus de 15 mètres de diamètre 28 mètres de long et pesant 14 000 tonnes. Il s’agit en réalité non pas d’un détecteur mais d’une multitude de sous-détecteurs ayant chacun leurs points forts et facilitant la détection de tels ou tels types de particules.

De manière générale, chaque détecteur est composé de deux parties : une partie sensible dans laquelle la particule laissera une trace de son passage et une partie électronique qui permettra de transformer ce petit signal en une série d’informations sous forme de signaux électroniques. Une fois que toutes les données ont été récupérées, nous pouvons avoir une vue d’ensemble de ce qui s’est produit lors de la collision.

Le détecteur CMS

CERN

Donc si par exemple un boson de Brout-Englert-Higgs a été créé, le détecteur verra deux photons ?

Oui en effet, mais il verra également beaucoup plus. La figure ci contre montre un événement avec deux photons qui sont les larges traits verts, mais nous observons également une multitude d’autres lignes jaunes, chacune représentant une particule ! Par collision, il y a donc des milliers de particules créées et détectées ce qui rend plus difficile la tâche des physiciens. Le signal laissé par un éventuel boson de Brout-Englert-Higgs est noyé au milieu d’une multitude d’autres signaux. Il faut donc dégrossir tout cela. C’est difficile, mais c’est faisable.

Evènement détecté par CMS. Les deux photons produits par le boson de Brout-Englert-Higgs sont représentés par les larges traits verts.

CERN

Nous avons donc un moyen de créer le boson, le LHC, et de le détecter, avec CMS. Il ne reste plus qu’à le trouver dans la masse d’informations produites et de voir s’il s’agit bien de lui ou simplement d’un « bruit de fond ».

Notons qu’il y a d’autres détecteurs de particules qui utilisent les collisions produites par le LHC : ATLAS, LHCb et ALICE. Nous n’avons ici parlé que de CMS car l’ULB est impliquée dans sa construction et est toujours impliquée dans son développement futur ainsi que dans l’analyse des données collectées. Afin d’en savoir plus sur le rôle de l’ULB dans la découverte du boson de Brout-Englert-Higgs, vous pouvez consulter la page de l’Institut Interuniversitaire des Hautes Energies (IIHE) qui est le service de physique expérimentale des particules commun à l’ULB et la VUB : http://iihe.ac.be.

Coucou, je t’ai trouvé !

inforsciences — Mon, 07 Oct 2013 09:22:58 +0000

À l’aide de CMS, nous disposons d’informations sur les particules créées pour un grand nombre de collisions. Mais comment savoir si une nouvelle particule se cache quelque part ? Pour expliquer cela, nous allons utiliser une simple analogie.

Imaginons qu’une société de gestion des eaux dispose dans ses dossiers du nombre d’habitants par maison dans une rue. En estimant la consommation moyenne par personne, cette dernière est donc capable de donner une approximation de ce que devrait consommer chaque habitation. Ayant fait ce calcul, elle compare les résultats théoriques aux données qu’elle a récupérées sur chaque compteur. Si jamais dans une maison, la consommation est largement supérieure à celle prédite, la société peut avancer l’hypothèse qu’une personne supplémentaire occupe le logement, une personne non reprise dans ses dossiers. C’est donc en observant un excès de la consommation d’eau dans une habitation que la société a pu déterminer qu’une personne supplémentaire occupait la maison.

Il en va de même pour la découverte d’une nouvelle particule. Le Modèle Standard nous dit quelles devraient être les quantités d’évènements avec telle ou telle signature pour l’ensemble des processus physiques. Il nous dit à quoi nous attendre lorsque nous analysons l’ensemble des évènements recueillis par le détecteur. Un peu comme la société de gestion des eaux fait des estimations de ce que consommera chaque maison. Si une signature apparaît plus de fois que prévu, nous pouvons commencer à spéculer quant à l’existence d’une nouvelle particule. Si l’excès est très important, son existence ne fera plus de doute. Dans notre cas, nous calculons le bruit de fond (estimation attendue) sans la présence du boson de Brout-Englert-Higgs et comparons les résultats à celui-ci afin de voir, ou non, la présence d’un excès.

Excès d’évènements recueillis par CMS. La ligne jaune est le signal prédit tandis que les points noirs et la ligne rouge représentent le signal obtenu. Nous voyons clairement qu’un excès est présent.

cds.cern.ch

Donc si la théorie prédit par exemple que l’on devrait observer cinq évènements de type A mais que l’on en observe six, on peut dire que l’on a découvert une nouvelle particule ?

Pas encore, il en faut plus que six pour crier à la découverte ! Tout comme la consommation moyenne d’eau d’un foyer varie mensuellement, le nombre d’événements peut également fluctuer. Le Modèle Standard nous dit combien nous devrions en avoir en moyenne.

Prenons un autre exemple. Considérons trois lancers de dès successifs. La première fois, vous obtenez le chiffre 3. La seconde de même. Vous pouvez commencer à vous poser des questions quant au fait de savoir si le dé est « pipé » ou non, mais obtenir deux 3 d’affilée n’est en rien exceptionnel. Même si le troisième lancer de dé vous donne un 3, cela reste toujours possible avec un dé non truqué. Si maintenant le dé donne 3 cent fois de suite, là vous pouvez réellement vous poser des questions.

Les scientifiques veulent être tellement certains de bien observer une nouvelle particule, qu’ils attendent d’être à 99,9999% sûrs d’eux avant de crier à la découverte.

Et c’est sûrs d’eux mêmes que le 4 juillet 2012 ils ont présenté les résultats de leurs recherches. Celles-ci indiquaient la présence d’un très large excès d’événements qui confirmaient l’existence d’une nouvelle particule.

Comment savoir s’il s’agit bien du boson de Brout-Englert-Higgs?

En effet, l’excès d’événements nous dit simplement qu’il y a quelque chose de nouveau. Pour être sûr qu’il s’agit du boson de Brout-Englert-Higgs, nous devons étudier ses caractéristiques, ses propriétés. Nous avons dit précédemment que l’électron est une particule chargée négativement. Il porte donc une charge qui est une propriété fondamentale de la matière. De la même manière, d’autres propriétés fondamentales peuvent être mesurées. C’est en mesurant celles-ci et en les comparant à ce que le modèle prédit que nous pouvons dire si oui ou non la particule est celle que l’on cherche.

Et la confirmation fut apportée en mars 2013 lors de la conférence de Moriond2013 en Italie ou les expériences CMS et ATLAS présentèrent leurs dernières trouvailles indiquant qu’il s’agissait bien du boson de Brout-Englert-Higgs.

Ainsi se termina la quête pour le boson de Brout-Englert-Higgs qui durait depuis presque 50 ans.

Une nouvelle particule découverte, et alors ?!

inforsciences — Mon, 07 Oct 2013 09:12:59 +0000

La découverte du boson de Brout-Englert-Higgs est tout d’abord une grande réussite pour les expérimentateurs. Celle-ci démontre l’ingéniosité dont ils ont faite preuve et à quel point les machines qu’ils ont construites sont performantes.

De plus, il s’agit bien évidemment d’une grande réussite pour Brout, Englert et Higgs dont les hypothèses se sont avérées être correctes.

Finalement, il s’agit d’une réussite pour le Modèle Standard dont les fondations ne doivent pas être modifiées mais sont au contraire consolidées par cette découverte. Celle-ci confirme que nous sommes sur la bonne voie et que nous ne devons pas construire de nouveaux modèles. Le Modèle Standard tel qu’il existe aujourd’hui est donc bien établi.

Reste cependant que le Modèle Standard ne décrit pas tout. Il est possible d’étendre le modèle de base afin de tenir compte d’autres phénomènes. Pour ce faire, différents scénarios sont possibles et doivent donc être testés. La découverte du boson de Brout-Englert-Higgs sonne la fin d’une longue quête, mais également le commencement de recherches pour de nouvelles physiques « au-delà du Modèle Standard ». Nous sommes dans une période de transition dans la physique des particules.

La masse du boson

inforsciences — Mon, 07 Oct 2013 09:11:27 +0000

La manière dont est décrite la découverte du boson de Brout-Englert-Higgs ci-dessus ne rend pas entièrement justice quant aux efforts que les physiciens ont dû fournir. Nous pourrions croire qu’il suffit d’observer des graphiques à la recherche de petites bosses afin de crier à la découverte. Mais en réalité, il faut chercher à de nombreux endroits et réaliser de nombreuses analyses.

En effet, la masse du boson de Brout-Englert-Higgs n’est pas prédite par le Modèle Standard, il s’agit d’un paramètre. Il faut donc réaliser les analyses en considérant une large gamme de masses possibles et ensuite réduire cet intervalle. Petit à petit, les physiciens ont pu exclure des zones où les données indiquaient que le boson de Brout-Englert-Higgs n’était pas présent.

En plus de ne pas savoir quelle est la masse du boson de Brout-Englert-Higgs et donc de ne pas savoir où chercher, les physiciens doivent également effectuer leurs recherches pour toutes les signatures possibles du boson. Cela veut dire que de nombreux groupes de recherche travaillent en parallèle afin de tenter de mettre en évidence un excès. Finalement, pour confirmer les résultats, toutes les signatures sont regroupées afin de voir si les excès observés individuellement sont encore visibles.

Ces analyses physiques sont longues et rigoureuses. Il faut tenir compte de multiples paramètres tels que l’efficacité du détecteur qui peut, malheureusement, ignorer certains évènements intéressant et donc biaiser les résultats.

Découvrir une nouvelle particule n’est pas si simple que ça, néanmoins, grâce au travail considérable qu’on fournit les physiciens, nous savons aujourd’hui que le boson de Brout-Englert-Higgs existe bel et bien.