Aujourd’hui, lors d’un séminaire spécial tenu au CERN, les deux collaborations opérant les détecteurs multi-usage, CMS et ATLAS, ont présenté de nouveaux et très convaincants signaux venant du Grand Collisionneur de Hadrons (LHC) qui pourraient provenir du boson de Higgs.
Cette particule fondamentale a été postulée il y a près de cinquante ans dans le cadre du Modèle Standard, le modèle théorique qui décrit à peu près tout ce que l’on a observé à date en physique des particules. Mais sans ce boson de Higgs, le modèle ne peut expliquer comment les particules fondamentales acquièrent leur masse.
Le séminaire était retransmis en direct partout dans le monde et l’ambiance était à la fois sérieuse et festive, ou devrais-je dire, sérieusement festive.
Pour trouver cette nouvelle particule, les physiciens et physiciennes ont dû passer au crible des milliards d’évènements à la recherche d’une poignée ayant des caractéristiques bien définies. Le truc est d’en trouver plus que le nombre prédit par l’ensemble des évènements de types bien connus décrits par le Modèle Standard, ce que l’on appelle le bruit de fond. Un surplus d’évènements indique la présence d’une autre source, venant d’une nouvelle particule.
Mais la physique des particules suit les lois de la statistique, ce qui fait qu’on n’obtient jamais exactement ce à quoi on s’attend, mais plutôt une valeur à l’intérieur d’une marge d’erreur. Il est essentiel d’évaluer précisément cette marge d’erreur afin de pouvoir correctement décrire ce qui est observé.
Par exemple, mélangez dans un sac mille billes rouges et mille billes bleues. Puis prenez au hasard dix billes. Combien de billes rouges aurez-vous ? Cinq ? Sept ? Aucune ? Toutes ces réponses sont possibles mais cinq est plus probable que sept et sept encore plus probable que zéro.
Pigez maintenant cent billes. Le résultat sera encore plus près de 50% de billes rouges. La même chose se produit en physique des particules: les variations statistiques diminuent lorsqu’on a un plus gros échantillon de données.
Donc la marge d’erreur sur la présence ou non du boson de Higgs diminue lorsqu’on additionne les 6 inverse femtobarns (fb-1) de données recueillies en 2012 aux 5 fb-1 de 2011 (ceci représente juste comment on mesure la quantité de données accumulées).
On ne peut pas trouver le boson de Higgs directement car il se désintègre aussitôt en particules plus légères et plus stables. On cherche donc les évènements contenant un Higgs à partir des débris de sa désintégration.
Les deux canaux de désintégrations qui donnent les résultats les plus précis, si le Higgs a une masse d’environ 125 GeV, sont : quand il se défait en deux photons ou encore en deux bosons Z, chacun de brisant à son tour en deux électrons ou deux muons. C’est ce que l’on appelle le canal des quatre leptons, car l’électron et le muon appartiennent tous les deux à cette famille de particules.
Comme on peut le voir sur le graphe ci-dessous, en principe les canaux de désintégration qui se produisent le plus souvent sont ceux où le Higgs se défait en deux quarks b ou en deux WW. Mais ces canaux ont de gros bruits de fond et sont donc moins précis.
Le graphe indique que le Higgs peut se désintégrer de plusieurs façons. L’axe vertical (sur une échelle logarithmique) exprime la fréquence de chaque canal en fonction de la masse supposée du Higgs. Si le boson de Higgs possède une masse de 125 GeV (indiquée par la ligne verticale), plusieurs canaux sont possibles. Tous les canaux impliquant des quarks (qq ou bb), des taus τ ou des neutrinos ν sont moins précis car il est difficile ou impossible d’en retrouver tous les fragments. Le Higgs se désintègre moins souvent en deux photons γγ ou en quatre leptons l+l–l+l– mais il peut être complètement reconstruit puisque les photons et les leptons sont plus facilement identifiables dans les détecteurs.
Si les débris retrouvés proviennent de la désintégration d’un boson de Higgs, ils formeront une particule de masse unique. Tous les événements reconstruits donneront alors la même masse et nous observerons un excès d’évènements pour cette valeur.
Dans le canal à deux photons. CMS observe un excès d’évènements correspondant à 4.0 fois la marge d’incertitude sur le bruit de fond. On parle alors d’une observation à 4.0 sigma. ATLAS obtient 4.5 sigma. La valeur de la masse du Higgs là où l’excès est le plus prononcé est de 125 pour CMS et 126.5 GeV pour ATLAS.
Voici la distribution selon la masse des 59059 événements sélectionnés par ATLAS dans le canal à deux photons. Le petit excès à 126.5 GeV contient 170 évènements pouvant venir de bosons de Higgs. La courbe sous dessous représente ce qu’il reste une fois qu’on a soustrait le bruit de fond approximé par la courbe en rouge sur le graphe du haut et rendant le petit excès plus visible.
Les deux collaborations voient également un excès d’évènements dans le canal à quatre leptons. ATLAS mesure une déviation de 3.4 sigma à 125 GeV et CMS de 2.5 sigma à 125 GeV.
On voit ici sous le pic en rouge l’excédent d’évènements observés par CMS par rapport au reste du bruit de fond montré en bleu et vert. Les points en noir correspondent aux vraies données et reproduisent bien le bruit de fond. Le reste, sous le pic en rouge, provient du boson de Higgs.
Les autres canaux, bien que moins sensibles, permettent de vérifier si tout est consistent. Les deux expériences ont présentés des résultats combinés basés sur tous les canaux pour 2011, et pour 2012, les canaux des deux photons et quatre leptons et portant sur toutes les données. CMS a aussi inclus les WW pour 2012.
ATLAS obtient une probabilité globale de 5.0 sigma pour un Higgs ayant une masse de 126.5 GeV alors que CMS mesure 4.9 sigma à 125.3 GeV. Si on prend en compte la probabilité d’observer une telle fluctuation entre 110 et 150 GeV, ces probabilités sont réduites légèrement.
La probabilité qu’une telle fluctuation soit fortuite est de moins de une chance pour trente millions comme le montre la courbe en noir dans le graphique ci-dessus pour ATLAS. La courbe en pointillé représente les prédictions théoriques du Modèle Standard, c.à.d. la taille de la fluctuation si elle provient effectivement d’un boson de Higgs. La différence se trouve à l’intérieur de la marge d’erreur anticipée.
En physique des particules, la tradition exige qu’une expérience ait une déviation de 5 sigmas pour clamer l’évidence d’une nouvelle particule. On y est presque. Mais bien sûr, le fait que deux expériences soient juste sous cette limite ne laisse plus aucun doute. Un nouveau boson a bel et bien été découvert.
Bienvenue donc au nouveau boson. S’agit-il bien du boson de Higgs tel que prédit par le Modèle Standard ? Là, il est encore trop tôt pour se prononcer mais les chances sont excellentes. Si cette particule est produite et se désintègre dans les proportions prédites par la théorie (tel que le montre le premier graphique), alors oui, on pourra l’affirmer.
Il nous reste donc encore du pain sur la planche. Espérons que cette découverte sera suivie de plusieurs autres. En attendant, champagne!
Voici un événement capturé par CMS contenant deux électrons (en vert) et deux muons (en rouge).
Et voilà un des évènements sélectionnés par ATLAS et qui pourrait provenir d’une désintégration d’un boson de Higgs en quatre muons, représentés par les quatre traits en rouge.
Pauline Gagnon
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