Ce matin à La Thuile en Italie, les expériences ATLAS et CMS du Grand Collisionneur de Hadrons ou LHC au CERN, et CDF et D0 du Tevatron ont présenté leurs résultats portant sur l’ensemble des données recueillies en 2011 sur la quête du boson de Higgs, une particule hypothétique recherchée depuis près de cinquante ans.
Ce sont les expériences du Tevatron, un autre accélérateur de particules près de Chicago, qui ont créé la surprise en annonçant avoir observé un petit excès d’évènements pour un Higgs se désintégrant en deux quarks b entre 115 et 135 GeV, la même région de masse que pour CMS et ATLAS. L’effet combiné pour ces deux expériences correspond à une déviation de 2.2 sigma, ou, autrement dit, une probabilité de 1.4% que celà vienne du bruit de fond et non pas du boson de Higgs. Le Tevatron a cessé d’opérer en septembre dernier, donc ces résultats sont presque définitives pour CDF et D0, quoiqu’ils prévoient encore améliorer leurs analyses.
C’est le Prof. François Englert qui a ouvert la session par une présentation très enjouée ce matin à la conférence de Moriond. Il est l’un des chercheurs ayant joué un rôle clé dans l’élaboration du « mécanisme de Higgs », une description théorique expliquant comment les particules élémentaires acquièrent leur masse. La théorie actuelle qui explique à peu près tous les phénomènes observés à ce jour, le Modèle Standard , ne produit que des particules sans masse, en contradiction avec les observations expérimentales. Le seul hic: on n’a toujours pas réussi à découvrir ce fameux boson de Higgs.
CMS et ATLAS sont les deux grandes expériences en cours au LHC au CERN. Déjà en décembre dernier, les deux groupes avaient présenté des résultats préliminaires, mais aujourd’hui, la tendance se confirme après l’analyse de toutes les données et ce, dans presque tous les « canaux de désintégration ».
On s’attend à ce que le boson de Higgs soit instable. Il se « brisera » donc de différentes manières appelées canaux de désintégration.
C’est un peu comme avec un appareil qui fait la monnaie. Peu importe quelles petites pièces sortiront, la somme devrait toujours être égale à la valeur initiale. Chaque façon de donner le change correspond à un canal de désintégration. En regardant différents canaux de désintégration, on peut voir si tous correspondent à la même particule ayant la même masse.
Aujourd’hui, il reste à peine une zone de 7.5 GeV où le boson de Higgs pourrait encore se cacher autour de 124 GeV, alors qu’à la même date l’an dernier, cette plage s’étendait sur 470 GeV.
En décembre, ATLAS n’avait présenté que les résultats des deux canaux de désintégration principaux. Ayant maintenant inclus douze canaux et toutes les données disponibles, bien que les résultats aient peu changé, ils sont tout de même plus probants. ATLAS exclus la possibilité d’un Higgs dont la masse se trouverait en-dessous de 122.7 GeV (à l’exception de 118 GeV), ou entre 128.6 et 540 GeV. CMS exclut toute masse entre 127.5 jusqu’à 600 GeV.
Sur la figure, la courbe en pointillés représente en gros le nombre d’évènements qu’on devrait observé en fonction de la masse du boson de Higgs. La ligne noire montre ce qui a été observé par ATLAS. Les bandes vertes et jaunes indiquent les variations statistiques possible pour le bruit de fond entre un et deux sigma. Quand la ligne noire sort de la zone jaune, c’est qu’un excès d’évènements est observé. Pour ATLAS, l’effet le plus prononcé correspond à 2.5 sigma pour un boson de Higgs ayant une masse de 126 GeV
Dans les deux cas, la limite inférieure est légèrement plus élevée que ce à quoi on s’attendait avec les quantités de données disponibles. On aurait dû exclure en gros de 115 à 540 GeV. Si limite inférieure d’exclusion est réduite, c’est qu’on observe plus d’évènements autour de cette masse qu’on s’y attendait en l’absence d’un Higgs. Cette observation vaut pour plusieurs canaux et pour les deux expériences qui ont travaillé complètement indépendamment. L’annonce aujourd’hui par CDF et D0 qu’ils observent aussi un excès apporte donc un élément de plus qui renforce l’hypothèse de la présence d’un Higgs autour de 125 GeV.
Ceci veut dire qu’on est peut-être en train de voir les premiers signes du Higgs entre 125-126 GeV. Mais il est encore trop tôt pour se prononcer, comme par exemple lors de l’apparition du premier bouton de varicelle chez un enfant. Tant qu’il n’est pas couvert de boutons, malgré d’autres signes avant-coureurs, il est difficile d’être catégorique.
Pour CMS, la valeur la plus probable pour la masse du Higgs se situe à 125 GeV, là où l’excès d’évènements est désormais plus prononcé qu’en décembre après avoir inclus un nouveau canal impliquant deux photons et deux gerbes de particules. Cela correspond à 2.8 déviations standard, soit une probabilité de 0.26% d’être causé que par le bruit de fond – d’autres types d’évènements.
Pour CMS, le pic le plus prononcé se trouve à 125 GeV comme on le voit sur cette figure avec un excès de 2.8 sigma.
Pour ATLAS, le pic le plus prononcé se trouve à 126 GeV, avec 2.5 déviations standard, soit une probabilité de 0.6% que cela ne vienne que du bruit de fond. L’ajout d’un autre canal, celui où le Higgs se désintègre en deux bosons W, a légèrement réduit cette probabilité depuis décembre, quand on avait observé 3.6 sigma. Encore faut-il ajouter « l’effet de regarder ailleurs », i.e inclure la probabilité d’une telle variation statistique sur toute la région étudiée. La probabilité que cela soit dû au bruit de fond augmente alors jusqu’à 10-30%, selon la zone incluse.
L’accélérateur, le LHC, sera remis en marche le 14 mars et opérera cette année à une énergie légèrement accrue, soit 8 TeV au lieu de 7 TeV comme en 2011. Cela augmentera encore un peu les chances de produire des bosons de Higgs. Si tout fonctionne aussi bien que l’an drenier, chacune des expériences devrait avoir suffisamment de données d’ici quelques mois pour avoir une réponse claire dans les mois à venir. Touchons du bois!
En résumé: pas de changements majeurs pour CMS et ATLAS, mais une tendance qui se maintient maintenant que plus de canaux et toutes les données ont été analysés. Mais avec l’annonce d’un excès similaire observé par CDF et D0, le tout est cohérent et plus convainquant. Plusieurs physicien-ne-s auront du mal à choisir la date de leurs vacances cet été…
Pauline Gagnon
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