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Il a peut-être l’air mais a-t-il aussi la chanson du Higgs?

Le séminaire spécial sur les derniers résultats dans la quête pour le boson de Higgs tenu hier au CERN fut sûrement la présentation la plus excitante de ma carrière. L’ambiance était électrique et l’auditorium était déjà plein à craquer plus de deux heures avant l’heure prévue.

Les membres de chaque collaboration, ATLAS et CMS, connaissaient à l’avance leur part des résultats mais sans avoir vu les principaux détails de l’autre collaboration. Les deux équipes avaient travaillé indépendamment sans partager leurs résultats. Chacun et chacune attendait donc avec impatience pour voir si l’autre groupe obtenait aussi des résultats similaires et concordant.

Mais les physiciennes et les physiciens sont bien connus pour leur réserve et à juste titre. Avant de clamer une découverte, on exige qu’en l’absence d’un boson de Higgs, la probabilité d’observer un certain excès d’évènements corresponde à moins de 0.00003% ou cinq sigmas.

En ce qui concerne le boson de Higgs, même si on entrevoit des signes prometteurs, on veut qu’il ait non seulement l’air d’un Higgs mais aussi qu’il chante, danse, sente et se comporte comme seul un Higgs peut le faire. A ce point-ci, cela « ressemble » seulement à un Higgs ayant une masse autour de 124-126 GeV. Mais le niveau de confiance est beaucoup trop faible pour qu’aucune des expériences puisse se prononcer avec des signaux de seulement deux à trois déviations standards, bien loin des cinq sigmas qui ne laissent aucune ambiguïté.

Plus le nombre de déviations standards est élevé, plus les résultats deviennent incompatibles avec l’hypothèse de bruit-de-fond seulement et absence du Higgs.

Bien sûr, le fait que les deux collaborations obtiennent de petits excès similaires, non seulement dans un mais plusieurs canaux différents, renforce la possibilité qu’on soit en train d’observer les premières manifestations du boson de Higgs. Comme un de mes collègues l’a expliqué, chaque canal de désintégration est un peu comme une façon de faire la monnaie pour un billet, le Higgs étant le billet. Le fait que tous ces canaux de désintégration donnent la même masse semble indiquer qu’ils viennent tous de la même particule.

La porte-parole d’ATLAS, Fabiola Gianotti, a montré qu’ATLAS obtient de petits excès d’évènements dans deux canaux de désintégrations différents, tous autour de 126 GeV. Ces deux canaux sont: lorsque le Higgs se désintègre en deux photons, ou en quatre leptons (électrons ou muons). Un troisième canal, celui où le Higgs se brise en deux WW, chacun allant en une paire de lepton et neutrino, est consistent avec les deux premiers sans que l’effet soit très prononcé.

CMS, représenté par son porte-parole Guido Tonelli,, a présenté des résultats basés sur cinq canaux différents, ajoutant donc les désintégrations du Higgs en quarks lourds ou en paires de taus, en plus des trois canaux utilisés par ATLAS. Une fois combinés, ces excès sont compatibles avec la présence d’un Higgs, la valeur la plus probable se trouvant à 124 GeV mais la quantité de données disponible n’est pas suffisante pour trancher. L’excédent observé pourrait être dû à une variation statistique des bruits-de-fond connus, avec ou sans la présence d’un Higgs dans cet intervalle de masse.

La probabilité d’obtenir un excédent d’évènements de la taille ou excédant celui observé dans l’éventualité de l’inexistence du Higgs, avant d’inclure les corrections associées à l’effet de « regarder ailleurs » (look-elsewhere effect). Comme on peut le voir, les excès observés coïncident pour deux canaux et sont compatibles avec le troisième canal. La validité statistique demeure modeste mais le fait que ces trois canaux concordent, dont deux canaux particulièrement robustes, renforce la possibilité de l’existence du Higgs.  Cependant, le signal excède légèrement celui qu’on observerait en présence d’un boson de Higgs de 126 GeV, comme l’indique la courbe noire en pointillé.


Le petit excès d’évènements observeé par CMS dans cinq canaux différents. La ligne en pointillé montre ce qu’on attendait en l’absence du boson de Higgs. Les bandes en vert et jaune représentent les marges d’erreur (à 1 ou 2 déviations standards). La courbe en noir montre les résultats obtenus. Plus les excursions de cette courbe en dehors de la bande jaune sont prononcées, plus la possibilité d’y trouver le Higgs s’accroît. C’est donc la valeur à 124 GeV qui est privilégiée.

En combinant tous les canaux, ATLAS obtient une déviation de 2.3 sigma et CMS 1.9 sigma par rapport au bruit-de-fond et lorsqu’on inclut la probabilité qu’une telle variation se produise n’importe où dans l’intervalle de masses étudiées (effet appelé « regarder ailleurs»). La probabilité d’obtenir une telle fluctuation en l’absence d’un boson de Higgs est d’environ 1% pour ATLAS et 2.9% pour CMS.

Si on néglige de « regarder ailleurs », la déviation locale correspond à 3.6 sigmas pour ATLAS. Cette valeur peut être comparer à la déviation attendue si un Higgs d’environ 126 GeV existe, soit 2.3 sigma. ATLAS voit donc un peu plus d’évènements que ce à quoi on s’attendait. C’est précisément la nature des fluctuations statistiques: elles peuvent aller dans les deux directions. Plus de données viendront éclaircir cette situation.

CMS ayant déjà combiné l’ensemble des données recueillies en 2010 et 2011, Guido Tonelli a montré qu’ils excluent toutes les masses possibles du Higgs sauf entre 114 et 127 GeV avec un intervalle de confiance de 95%. ATLAS exclut les masses entre 131 et 453 GeV avec le même niveau de confiance, et aussi entre 114 et 115.5 GeV.

L’ensemble des valeurs de masse possible du Higgs exclues par CMS. La ligne en pointillé représente ce qui était attendu tandis que la courbe en noir montre les résultats observés. Chaque fois que cette courbe passe sous la ligne horizontale rouge, la valeur de masse qui y correspond est exclue. Toutes les valeurs de masse pour le Higgs au-dessus de 127 GeV sont donc écartées.

Bien sûr, tout le monde aimerait crier victoire et déclarer la découverte du Higgs chose faite. Mais c’est encore trop tôt, malgré ces signes encourageants. Plus de données seront recueillies en 2012 et nous permettront une réponse sans équivoque sur l’existence ou l’inexistence du Higgs. Si les petits excédents que l’on observe aujourd’hui continuent à croître, en devrait bientôt entendre le Higgs nous pousser sa petite chanson, et à pleins poumons.

Pauline Gagnon

Pour plus d’information, visitez le site du CERN

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  • Deun

    Petite question de la part d’un novice (mes excuses par avance) :

    Le boson de Higgs étant le constituant du champ de Higgs, est-il possible que sa masse soit changeante en fonction d’une fluctuation locale de ce champ ?