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Illusion ou réalité?

Le 4 avril dernier, la collaboration CDF de Fermilab près de Chicago a publié un article qui avait fait la manchette et dont la nouvelle s’était répandu à une vitesse approchant celle de la lumière dans la communauté de la physique des particules. Et ils viennent tout juste de remettre à jour ce résultat, le rendant encore plus convaincant. C’est que l’annonce de l’observation potentielle d’une nouvelle particule, inconnue, insoupçonnée et inhabituelle passe rarement inaperçue! C’est ce que toute physicienne et tout physicien des particules attend depuis des années. C’est donc très excitant et si cela s’avère vrai, pourrait être la plus grande découverte depuis des décennies.

En cherchant certaines désintégrations rares de paires de bosons, plus particulièrement celles d’un boson W accompagné soit d’un autre W ou d’un boson Z, CDF a observé un excès d’évènements qui peuvent difficilement être attribués à une source connue. Les bosons une catégorie de particules, celle associée à une des forces fondamentales de la physique. Les bosons Z et W sont les porteurs de la force électrofaible.

Ces évènements à deux bosons, on les trouve en reconstruisant le premier W quand il se désintègre en un muon ou un électron, plus un neutrino. Ensuite on cherche les débris du deuxième boson lorsque celui-ci se défait en deux gerbes de particules. Des tels évènements sont rares mais sont tout de même prédits par le Modèle Standard, notre outil théorique qui jusqu’à maintenant décrit presque tout ce que l’on a observé en physique des particules. Ces paires de bosons rares donc, mais prévues, sont généralement enfouies sous ce qu’on appelle le bruit de fond, des évènements bien plus abondants mais beaucoup moins intéressants parce que bien connus. Ce bruit de fond a tendance à masquer le signal, l’imitant même, ce qui le rend bien difficile à distinguer des évènements que l’on recherche. C’est un peu comme si on regardait un tas de sable: dans notre cas, en gros 95% du tas est fait de sable ordinaire, et un petit 5% provient d’un métal rare saupoudré par dessus. Ce que CDF observe, c’est qu’en plus du métal précieux, ils pensent y voir aussi un peu d’or. Mais comme tout le monde le sait, tout ce qui brille n’est pas forcément or. La question est donc de savoir si cette observation correspond à quelque chose de réel, ou est-ce simplement une illusion.

L’élément clé ici est quand on dit « qu’en gros » 95% vient du bruit de fond. Pour estimer la quantité d’évènements rares (les paires de bosons) il faut connaitre non seulement la quantité exacte de bruit de fond parmi tous les évènements sélectionnés, mais aussi leurs caractéristiques. Sans cela, comment peut-on affirmer qu’il y a quelque chose en sus? La moindre incertitude dans la prédiction du bruit de fond peut se métamorphoser en un excès et créer l’illusion de la présence de particules inédites. Ou cela pourrait aussi être causé par une fluctuation statistique dans le nombre d’évènements observés. On ne prédit jamais le nombre exact d’évènements, il y a toujours une marge d’erreur. Mais tous les gens dans notre domaine le savent bien, y compris les centaines de physiciens et physiciennes du groupe CDF. S’ils publient ces résultats, c’est aussi pour inviter les membres des autres expériences à confirmer ou réfuter cet effet à partir de détecteurs et de données différents.

Regardez cette figure extraite de l’article de CDF. On y voit la distribution de la masse combinée des deux gerbes imputées à la désintégration du second boson. Sur l’image en haut à gauche, on montre la simulation de différents évènements bien connus prédits par le Modèle Standard. Ils sont indiqués en vert, blanc, bleu et gris. Si on retourne à notre analogie, tout cela représente le sable. La simulation pour les paires de bosons est en rouge (le métal rare). C’est ce que CDF voulait mesurer en tout premier lieu. Là, les deux gerbes viennent soit d’un W ou d’un Z, et c’est pourquoi on voit une accumulation autour de 80 et 91 GeV/c2, la valeur respective de la masse des bosons W et Z. Bien sûr, la reconstruction n’est pas parfaite, ce qui explique que la masse soit reconstruite aux environs de la masse connue de ces bosons. Tout cela est normal.

Là où ça devient intéressant, c’est ce qu’il se produit lorsqu’on soustrait tout le bruit de fond (la somme de toutes les contributions de sources connues) de ce que l’on observe réellement avec les données recueillies, les point montrés en noir sur la figure. C’est ce qu’on voit en haut à droite. Là, il semble bien y avoir un autre pic. En fait, si on rajoute une simulation d’une particule nouvelle avec une masse aux environs de 140 GeV/c2, soulignée en bleu dans la figure en bas à droite, la somme des sources connues plus cette inconnue semble bien correspondre aux données réelles. Tout cela se trouve à l’intérieur de la marge d’erreur indiquée par les lignes verticales en noir associées à chaque point. Quand on prend en compte cette marge d’erreur, la probabilité que cet excès soit dû à une fluctuation statistique est inférieure à 1%. Mais moins de 1% ne veut pas dire zéro…cela pourrait arriver.

Ici au CERN, l’annonce de CDF en avril dernier n’est pas passée inaperçue. Plusieurs équipes travaillant sur des sujets reliés ont vite revisité leurs données à la recherche de cette nouvelle particule potentielle. En fait, nous avions déjà plusieurs distributions semblables car nous aussi, dans les collaborations ATLAS et CMS avions cherché ces paires de bosons.

ATLAS avait déjà en main des distributions similaires. Donc dès le lendemain de l’annonce, on a pu y jeter un premier coup d’œil, et en quelques jours, refaire la sélection de ces évènements en reproduisant exactement l’analyse de CDF.

Même scénario chez CMS : encore une fois, beaucoup d’activité dans les jours qui ont suivi cette annonce, des meetings convoqués avec peu de préavis et d’abondants échanges de courriels avec pleins de figures en attachement.

Mais jusqu’à présent, rien de nouveau de notre côté. Cela ne signifie pas que cet effet n’existe pas. Bien sûr, il peut-être factice mais il se peut aussi simplement nous n’ayons pas encore analysé suffisamment de données pour le voir. Nous en saurons plus dès qu’on aura complété l’analyse des données recueillies en 2011, ce qui sera sans doute fait d’ici aux grandes conférences d’été.

Comme on peut le voir sur la figure ci-dessous publiée par ATLAS basée sur les données de 2010 seulement et en appliquant les même critères de sélection que CDF, il n’y a aucune différence entre ce qu’on observe dans les vraies données recueillies en 2010 (les points en noir) et les prédictions de la théorie montrées par les différentes contributions de sources connues (en couleur). Tout est consistent avec la marge d’erreur représentée par les hachures. Bien sûr, tout deviendra encore plus intéressant dès que CMS et ATLAS complèteront la calibration et l’analyse des données de 2011. Et on en a déjà dix fois plus qu’en 2010!


L’autre expérience de Fermilab, D0, est maintenant dans la meilleure position pour vérifier indépendamment cette observation. On s’attend à ce qu’ils publient leurs résultats très prochainement.

D0 à Fermilab, ainsi que CMS et ATLAS ici au CERN doivent maintenant confirmer ou réfuter l’hypothèse formulée par CDF. Si cette nouvelle particule existe, tout le monde devrait la voir, prouvant ainsi son existence. Car pour qu’on y croit, il nous faut cette seconde confirmation. D’ici là, on ne peut que se demander si on a pas affaire à une de ces fluctuations statistiques qui ne cessent de nous pourrir la vie. On en saura sûrement plus dès les premières conférences d’été. Restez donc à l’écoute!

Pauline Gagnon

Pour être averti-e lors de la parution de nouveaux blogs, suivez-moi sur Twitter: @GagnonPauline

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  • Jailyn

    There’s a teriifrc amount of knowledge in this article!