La chasse au boson de Higgs touche, presque, à sa fin
par David Larousserie
Les mailles du filet se resserrent autour d'une mystérieuse particule, le boson de Higgs, la pièce cruciale - encore manquante - du modèle standard de la physique. Certes, il échappe toujours à la traque menée dans le temple de la recherche internationale dans le domaine de l'infiniment petit, l'Organisation européenne pour la recherche nucléaire (CERN) de Genève. Mais les caches où il pourrait se dissimuler sont de plus en plus réduites.
Le directeur général de l'installation, Rolf-Dieter Heuer, et les responsables des deux principales expériences, Fabiola Gianotti (pour l'équipe d'Atlas) et Guido Tonelli (pour celle de CMS), devaient dévoiler, mardi 13 décembre après-midi, les résultats très attendus d'une année consacrée à tenter de percer les secrets de la matière. Leur espoir est de trouver le chaînon manquant qui permettrait de résoudre un des grands mystères de l'Univers : pourquoi les particules élémentaires ont-elles une masse ? Le responsable présumé est cet insaisissable boson, dit de Brout-Englert-Higgs (du nom des théoriciens qui ont postulé son existence), ou tout simplement de Higgs. Mais personne ne l'a encore jamais vu.
D'où la construction d'un microscope géant, le Large Hadron Collider (LHC), qui, depuis fin 2009, fracasse à grande vitesse des protons les uns contre les autres, dans un manège souterrain de 27 kilomètres de circonférence. Dans ce genre d'expérience, "voir" c'est en effet "détruire". Et, comme pour une orange pressée, les chercheurs espèrent faire sortir un pépin - le Higgs - de ces collisions à très haute énergie.
Ce pépin, les responsables des expériences Atlas et CMS ne l'ont pas encore observé. Mais, mardi, ils devaient confirmer les rumeurs qui circulaient ces derniers jours. Un "frémissement" de boson est apparu sur leurs écrans, indiquant une masse possible, pour cette particule furtive, de quelque 133 fois la masse du proton, soit environ 125 giga-électrons-volts (GeV) dans les unités utilisées en physique. Sur les courbes enregistrant les collisions, ce frémissement prend la forme d'une légère bosse.
Eurêka ? Pas encore. Trouver ce boson n'est pas comme découvrir la mâchoire d'un australopithèque dans des sédiments africains, ou une nouvelle molécule dans une éprouvette. Dans le monde de l'infiniment petit, les statistiques règnent en maître. Ainsi, les signaux détectés et attribués au Higgs auraient une chance sur 300 d'être le fait du hasard. C'est peu, mais encore bien trop pour sonner l'hallali. Cela suffit toutefois pour affirmer, en langage de physicien, que "la courbe d'exclusion n'exclurait pas le boson de Higgs à basse masse". Autrement dit, qu'il y a comme un pépin qui semble percer la peau d'orange, dans une fourchette de masse comprise entre 115 et 130 GeV.
Les chercheurs ne seront sûrs de leur fait que lorsque les lois statistiques leur diront qu'il existe moins d'une chance sur plus d'un million que le phénomène observé soit dû à un aléa expérimental. Pour ce faire, ils doivent, comme il en va pour les sondages, multiplier le nombre de collisions entre protons, donc le nombre possible d'apparitions d'un Higgs. On ne parle pas là d'un petit millier de "personnes interrogées", mais de millions de milliards de collisions. C'est dire si la chasse est délicate.
Pour l'ensemble de l'année 2011, sur quelque 400 000 milliards de collisions, une dizaine de sondés seulement ont répondu "oui" : une dizaine de chocs dans lesquels un boson de Higgs serait apparu avant de se désintégrer aussitôt en d'autres particules, repérées par les détecteurs CMS et Atlas. Pour atteindre le niveau de précision requis, il faudra tripler, voire quadrupler le nombre de collisions l'an prochain. Fonctionnant 24 heures sur 24, le LHC devrait atteindre ce niveau avant l'été. On saura alors sans doute définitivement si les signaux présentés mardi persistent et sont donc bien imputables au Higgs.
"Nous observons une mer bouillonnante et, de temps en temps, une vague passe au-dessus de la jetée. C'est une fluctuation qui ne nous intéresse pas. Nous devons descendre tout près de la surface de cette mer agitée pour trouver quelque chose qui sorte de l'ordinaire", image Yves Sirois (CNRS), de l'expérience CMS. Malgré toutes les données déjà accumulées, "nous restons prudents", souligne Daniel Fournier (CNRS), de l'expérience Atlas. Si finalement bosses et pics se dégonflent, les physiciens devront soit prendre encore plus de temps pour fouiller d'ultimes recoins mal explorés, soit se passer du Higgs pour expliquer la masse des particules.
Les idées ne manquent pas. Du reste, même avec une éventuelle découverte du boson de Higgs certifiée conforme aux canons de la rigueur scientifique, l'histoire ne s'arrêtera pas l'été prochain. Il faudra jauger la bête, la tester. Car sur le papier, plusieurs bosons existent. Certains portent une charge électrique, d'autres non. Ils peuvent interagir avec les autres particules plus ou moins fortement. Certains ne seraient même pas des particules élémentaires ! Ces "détails" sont fondamentaux pour poursuivre le chemin, encore inconnu, qui mène des énergies sondées actuellement jusqu'à celles qui régnaient aux débuts de l'Univers, lorsque tout n'était qu'une "soupe" de particules élémentaires extrêmement chaudes et agitées.
Quelles lois physiques régissent ces domaines d'énergie que le LHC commence à peine à sonder ? Telle est la quête dont le boson n'est que la première étape. En fonction des résultats de 2012, des choix seront faits, en concertation internationale, pour savoir quel type d'accélérateur-microscope sera nécessaire : un "bélier" avec des protons pour explorer des énergies toujours plus hautes, ou un scalpel très fin avec des électrons, pour décrire au mieux ce qui se passe déjà aux échelles d'énergie du LHC ? C'est le financement et la localisation de ces recherches qui seront alors peut-être un pépin.
