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CERN (Francais) | Geneva | Switzerland

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Comment distinguer le Higgs d’un autre boson?

Le 4 juillet, le CERN annonçait avoir «observé une nouvelle particule » et non « découvert le boson de Higgs. » Pourquoi faire preuve de tant de retenue? Simplement parce ce qu’il était trop tôt pour se prononcer. Le boson de Higgs est la dernière pièce manquante au Modèle Standard de la physique des particules, un modèle qui a permis aux théoriciennes et théoriciens de faire des prédictions d’une extrême précision. Mais qui voudrait compléter un casse-tête de 5000 morceaux en y insérant la mauvaise pièce?

Les expériences CMS et ATLAS ont déjà attaqué les questions suivantes:

1) Voit-on tous les modes de désintégration prédits par le Modèle Standard?

2) Est-ce que chacun se produit aussi souvent que prévu?

3) Quelles sont les propriétés fondamentales de ce nouveau boson?

Bien que les premières vérifications effectuées (basées sur la moitié des données disponibles aujourd’hui) indiquent que le nouveau boson aie tout l’air du Higgs, la précision actuelle est encore trop faible pour trancher comme le montre les graphes suivants. (signal strength et σ/σSM H représentent la même quantité).

Le boson de Higgs peut se désintégrer de plusieurs façons et le graphe montre les différents canaux observés ainsi que leur fréquence. Une « force de signal » (signal strength) de 1 implique que le signal correspond exactement à ce que prédit le modèle pour un boson de Higgs. Et zéro veut dire que ce canal de désintégration n’est pas observé. Les points en noir représentent les mesures faites et la barre horizontale, la marge d’erreur associée.

Comme on le voit bien, il est encore impossible de dire si les deux premiers canaux sont compatible avec 0 (non, ce canal n’est pas observé) ou 1 (oui, on le voit au taux prévu). ATLAS et CMS doivent analyser plus de données pour déterminer si ce boson se désintègre en deux quarks b (H → bb) et deux leptons tau (H → ττ). Les trois autres canaux sont bel et bien observés mais à des taux légèrement supérieurs à ceux prévus par le Modèle Standard.

Le test décisif viendra des mesures de son spin et de sa parité, deux « nombres quantiques » (ou particularités mesurables) attachés aux particules fondamentales. Le « spin » est semblable à la quantité de mouvement angulaire qu’on associe à un corps en rotation. Sauf que pour les particules fondamentales, cette quantité ne peut prendre que certaines valeurs bien précises. Pour les bosons, les particules associées aux champs de forces, la valeur doit être 0, ±1, ±2 etc. Pour les fermions, les grains de matière tels que les quarks et les leptons (électron, muon, tau and neutrinos), le spin est soit +½, soit -½.

Aidan Randle-Conde résume bien toutes les possibilités dans son blog (en anglais). Seule une particule de spin 0 ou 2 peut se désintégrer en deux photons. Puisqu’on a vu que le nouveau boson se désintègre en deux photons, il ne peut avoir qu’un spin 0 ou 2. De plus, un boson de spin 2 ne peut se désintégrer en deux taus. Il est donc crucial de mesurer si c’est le cas ou pas en utilisant toutes les données accumulées récemment.

(tiré du blog d’Aidan Randle-Conde)

Le Modèle Standard impose que le spin et la parité du boson de Higgs soit 0+. Reste donc à déterminer si le nouveau boson est de type 0+ ou encore 0-, 2+ ou 2-. Le seul moyen est de mesurer les angles auxquels les produits de désintégration s’échappent. Si on observe une désintégration en deux photons, on doit mesurer l’angle entre les photons et la direction des faisceaux du LHC. Lorsque le boson se brise en deux Z, chacun donnant  à son tour deux électrons ou deux muons, il faut mesurer les angles et la masse combinée des quatre particules finales.

Voici ce que Sara Bolognesi et ses collègues prédisent pour un boson de Higgs se désintégrant soit en ZZ, WW ou deux photons. En mesurant la masse et les angles des produits de désintégration, on pourra déterminer le spin et la parité du nouveau boson. Si leur distribution correspond aux courbes en rouge dans les diagrammes suivants, c’est qu’on a bel et bien trouvé le boson de Higgs. Si cela ressemble plutôt aux autres courbes, celles associées à d’autres modèles, c’est qu’il s’agit d’un autre type de boson.

Chaque expérience a maintenant en main 14 femtobarn inverse (fb-1) de données et on espère atteindre 25 fb-1 au total d’ici la fin de l’année. Avec les 5 fb-1 accumulés l’an dernier, ce devrait être suffisant pour arriver à démasquer le nouveau venu. Il ne reste « plus » qu’à mesurer toutes ces quantités assez complexes.

Pauline Gagnon

Pour être averti-e lors de la parution de nouveaux blogs, suivez-moi sur Twitter: @GagnonPauline ou par e-mail en ajoutant votre nom à cette liste de distribution

Pour plus d’info sur le spin du boson de Higgs, regardez ces deux récents vidéos sur CERN YouTube (première et seconde partie) (en anglais seulement)

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15 Responses to “Comment distinguer le Higgs d’un autre boson?”

  1. Daniel de Rauglaudre says:

    Bonjour. Les bosons se désintègrent-ils en d’autres types de quarks que le quark b ? Qu’est-ce que le quark b a de spécial par rapport aux autres types ? Est-ce que c’est parce que c’est le plus lourd de ceux qui s’hadronisent ? (puisque le t ne s’hadronise pas)

    • CERN says:

      Bonjour Daniel,

      désolée du retard. Votre commentaire m’avait échappé.

      en effet, vous avez presque tous les éléments de réponse. Le Higgs préfèrent se désintégrer en particules lourdes. Donc il se désintègrerait volontiers en deux quarks tops mais il ne le peut pas, faute de masse. Le Higgs ne fait que 125 GeV (si c’est bien lui) mais deux quarks top font 2 fois 174 GeV soit 350 GeV. C’est comme si vous voulez acheter un truc à 350 euro avec seulement 125 euro en poche. Donc il se rabat sur le quark le plus lourd et accessible, le quark b.

      Mais cela n’a pas à voir avec le fait que le quark b peut s’hadroniser ou pas, c’est une juste question de conservation d’énergie.

      Votre prochaine question sera peut-être: alors comment un higgs peut-il se désintégrer en photons puisqu’ils n’ont pas de masse? C’est parce que tout ça se fait à travers des intermédiaires (des loops en anglais). Le Higgs passe par des boson lourds qui eux se désintègrent finalement en photons. Ce n’est donc pas une désintégration directe (“tree level” dans les diagrammes de Feynman si vous êtes familier avec ce concept) mais par des intermédiaires (loop level).

      Voilà, bonne journée, Pauline

  2. Olivier says:

    Et si on avait decouvert le graviton a l’endroit ou on s’attend au higgs?

  3. Daniel de Rauglaudre says:

    Bonjour Pauline. Merci de votre réponse très intéressante qui me fait réfléchir… Je comprends un peu mieux le rapport entre les masses possibles du Higgs et ses probabilités de désintégration en fonction du type de particules dont je ne voyais pas bien les raisons.

  4. Hamid Fadel says:

    L’annonce faite le 4 juillet 2012, concernant la découverte d’une nouvelle particule au CERN, marque un tournant décisif dans l’histoire de la physique des particules élémentaires. Si on pense que la nouvelle particule est le boson de Higgs, alors on se trompe. La masse du boson de Higgs est nulle, la nouvelle particule correspond au septième quark manquant. Le modèle standard doit être revu et complété, afin d’édifier une théorie cohérente et complète. La masse, cette grande inconnue, n’est pas dû à un principe de véhiculation mais à celui de la décomposition de la charge en masse. L’énergie que renferme la charge se transforme en masse par intermédiaire du boson de Higgs. Le rôle de ce dernier n’est de donner la masse aux autres particules, mais contribue en s’accouplant à la charge des particules à la décomposition de l’énergie de la charge en masse.
    Cordialement

    • CERN (Francais) says:

      Bonjour Hamid, tout le monde a droit à son opinion mais en science, il faut en général prouver ce que l’on avance. Un nouveau quark ne pourrait pas se désintégrer de la façon qu’on a observé pour le nouveau boson. De plus, un quark seul n’existe pas. Les quark viennent toujours soit en groupe de deux (mésons) ou trois (baryons). On cherche bien sûr à voir si il existe plus de six quarks mais la nouvelle particule trouvée n’en a pas les caractéristiques. Reste encore à mesurer ses propriétés pour voir à quel type de boson on a affaire.

      Mais merci pour votre commentaire. Pauline

  5. Hamid Fadel says:

    Bonjour Pauline, je tiens en premier à vous remercier d’avoir gentiment répondu à mon commentaire. Sincèrement, votre réponse m’apporte beaucoup de réconfort sachant que je vis dans un isolement presque total, loin de la civilisation et des institutions de recherche. Peu qui acceptent de répondre, pourtant j’ai consacré des dizaines d’années à l’élaboration d’une structure mathématique, ayant le grand privilège d’apporter les réponses précises et satisfaisantes aux multiples interrogations de la mécanique quantique.
    Je me suis exprimé en disant que la nouvelle particule ne correspondait pas au boson de Higgs mais au septième quark manquant, pour la simple raison que dans la structure élaborée les quarks sont au nombre de sept et la masse du boson, qui contribue à la masse des autres particules, est nulle. Peut être que je me trompe en ce qui concerne la nature de la nouvelle particule, l’information me fait défaut et rare celle qui s’infiltre. Je me suis demandé, si la nouvelle particule est un boson dont la masse est inférieure à la masse du quark top, alors ça ne peut pas être le boson qui interagit avec les autres particules leurs permettant d’acquérir une masse. Si la nouvelle particule est un boson autre que le boson de Higgs, alors de quelle interaction s’agit-il, la gravité ? Je ne crois pas. Et même si on découvrait un boson autour de 250 GeV, il serait associé à un champ, soi-disant, invisible répandu dans tout l’Univers!! C’est du rêve, pareil à l’histoire de l’éther qui rempli le cosmos.
    J’ai assisté à plusieurs découvertes, depuis les années 70, mais aucune ne rassemble à celle-ci. L’annonce de la découverte des bosons de l’interaction faible était immédiate, si je me rappelle bien, toutes les revues ont confirmé dès la première fois, même si les installations de cette époque n’était ni de la taille ni de la puissance tels qu’ils sont aujourd’hui. Alors j’ai peur, car confirmer ou nier l’existence du boson de Higgs est un grave problème. Le nier, c’est tout l’édifice joliment construit qui va s’écrouler et avec, des efforts, des promesses et un investissement colossal qui vont être réduits à néant. Le confirmer, en ayant des doutes, c’est pire encore. La science s’oppose aux dogmes et à l’obscurantisme, le savoir s’acquiert par la réflexion, l’ouverture aux nouvelles idées et à la pluralité.
    Cordialement

  6. Hamid Fadel says:

    Bonjour,
    Lorsqu’on communique une force à un objet il se déplace, savons nous pourquoi ? Au contact avec l’objet, l’énergie potentielle, fournie par une source quelconque, se transforme à une énergie cinétique qui est absorbée par tous les points de l’objet. Ce sont, plus précisément, les gluons, médiateurs de l’interaction forte, qui absorbent cette énergie. En se faisant, ils libèrent l’impulsion maitrisée des protons et des neutrons. Ainsi, la force communiquée à l’objet de donne pas l’impulsion mais la libère, et que l’impulsion est maitrisée ou emprisonnée dans la matière. Si on parvient à ôter les gluons aux protons et aux neutrons, il y aurait une impulsion avec une masse énorme qui va réapparaitre. « L’interaction forte et la gravité ne font qu’une seule et unique force »
    Cordialement

    • CERN (Francais) says:

      Bonjour Hamid,

      Malheureusement, vous confondez plusieurs choses. Quand je pousse un objet avec ma main, c’est la force électromagnétique qui entre en jeu, pas les gluons. Le noyau est au centre des atomes et il y a tout un nuage d’électrons qui orbitent tout autour. Comme les électrons sont chargés électriquement, ils vont repousser les électrons qui se trouvent à la surface de l’objet à déplacer. Au niveau des atomes et des molécules, on ne voit que les effets de la force électromagnétique.

      La force forte émise par les gluons est beaucoup plus puissante que la force électromagnétique crée par la charge électriques des électrons, mais elle n’agit qu’à très courte distance. Passé les diamètres des noyaux, elle devient imperceptible. Donc elle n’entre pas en jeu pour la cohésion des atomes et molécules entre eux.

      J’espère que cela vous aidera à mieux comprendre, Pauline

  7. Hamid Fadel says:

    Bonjour Pauline, si ce que vous m’aviez soulignée en gras est l’état actuel de nos connaissances du mouvement, alors je dois partir pour revenir plus tard. Lorsque vous poussez un objet vous lui communiquez une onde chargée de quanta d’énergie cinétique qui se propage à tous les points de l’objet. L’énergie des électrons est quantifiée, ils sont incapables d’absorber les quanta cinétiques ou d’emporter une quantité de mouvement. Les électrons se repoussent dans le cas d’une charge électrique, cette opération ne peut pas entrainer les noyaux vu que le rapport des masses est énorme, c’est comme si vous vouliez pousser un éléphant avec votre petit doigt.
    C’est vrai que je suis allé un peux vite dans mes déductions et vous ne m’aviez pas compris, alors je reprends car ce problème s’énonce de plusieurs façons. Qu’est ce qui se passe au niveau quantique lorsqu’un aimant attire un objet métallique ? Alors répondre à cette question c’est exactement répondre à la question du mouvement et à la question de la pomme qui tombe. Il y a une loi générale, qu’il s’agit d’une force cinétique, magnétique ou gravitationnelle « la force décroit en fonction du carré de la distance », d’où vient cette propriété et quelle est son origine ? Et bien elle découle des propriétés des mésons (quark-antiquark), qui assurent le confinement des quarks au sein des nucléons, puis de la propriété que toutes les forces, sans exception, subissent la constante h de Planck.
    Quelles que soient les causes d’un mouvement, ce qui se passe au niveau quantique est le même, il y a libération de l’« impulsion maitrisée ».
    Il y a une différence entre les quarks des mésons et les quarks des nucléons. Les premiers ne renferment pas une quantité de mouvement car la masse des bosons (les gluons), qui les retiennent ensembles, est nulle. Contrairement aux quarks des nucléons, les bosons W et Z sont massifs et il y a une quantité de mouvement emprisonnée ou une impulsion maitrisée au sein des nucléons. Le rôle primordial des mésons c’est d’empêcher la quantité de mouvement des quarks des nucléons à faire surface, de ce fait ils deviennent les maitres du noyau ceux qui décident de la quantité du mouvement à libérer, alors comment les choses se déroulent. (À noter, la masse des mésons représentent, à peux près, les deux tiers de la masse totale du noyau)
    Lorsqu’un méson absorbe des quanta d’énergie cinétique ou gravitationnelle, il saute ou monte au niveau supérieur en se dilatant, en fonction de la fréquence des quanta, en ce faisant il libère une partie de la quantité du mouvement des nucléons, ensuite il retourne à son niveau initial en éjectant les quanta et le piège se referme à nouveau sur l’impulsion des quarks au sein des nucléons. Les mésons jouent, à peut près, le même rôle que celui des électrons lorsqu’ils absorbent un photon et passe d’un niveau à un autre plus haut, puis le cèdent lorsqu’ils redescendent au niveau plus bas.
    L’énergie communiquée à un objet, qu’elle soit cinétique, magnétique ou gravitationnelle, ne donne pas l’impulsion mais la libère, uniquement, et que l’impulsion est maitrisée ou emprisonnée dans la substance physique. Quant un neutron est éjecté du noyau il est accompagné d’une grande quantité de mouvement et bien c’est cette quantité, avec celle des protons, que les mésons maitrisent et confinent pour former les noyaux des atomes, c’est l’interaction forte. Lorsqu’un objet métallique est placé dans un champ magnétique, il peut absorber les quanta du champ puis libérer une portion de l’impulsion maitrisée pour sauter vers l’aimant, ce dernier n’attire pas mais c’est l’objet qui va vers l’aimant. (À noter, les opérateurs du champ magnétique, qui renferment les quanta, sont directionnels)
    Ce que je propose c’est une intégration, dans un seul cadre, des deux forces nucléaires et de la gravitation.
    Cordialement

    • CERN (Francais) says:

      Bonjour Hamid et désolée pour le délai dans ma réponse.

      C’est très difficile de vous répondre car vous mélangez beaucoup de choses et en particulier, le monde microscopique et le monde macroscopique. Déplacer un objet appartient au monde macroscopique alors que les effets quantiques ne se manifestent qu’à l’échelle microscopique. Les deux mondes obéissent à des règles différentes. Au niveau macroscopique, le déplacement d’un objet se traite avec les simples lois de la mécanique classique. J’exerce une force sur un corps et cela le fait accélérer (F = ma, la loi de Newton). Il est impossible de mélanger les deux. Comme tout votre raisonnement mélange ces deux mondes qui n’ont rien en commun, il m’est impossible d’adresser les points précis que vous soulevez car ils ne s’appliquent tout simplement pas dans ce contexte.

      Bonne journée, Pauline

  8. Hamid Fadel says:

    Bonjour Pauline,
    Ceux qui non rien en commun, différentes l’une par rapport à l’autre, c’est la mécanique quantique et la physique classique et non pas le monde microscopique et le monde macroscopique, c’est tout à fait différent. C’est comme si vous construisez un édifice avec des briques et vous dite : l’édifice et les briques non rien en commun. Avoir un commun ne veut pas dire que les deux mondes subissent les mêmes lois ou bien qu’on peut appliquer au monde microscopique les résultats du monde macroscopique. Les particules subatomiques ne sont ni des corpuscules, ni des ondes et ni quelque chose entre les deux, mais ça n’empêche que se sont les lois du monde microscopique qui ont engendrées ceux du second, et toutes les manifestations de la matière au niveau macroscopique ont pour origines les propriétés du monde microscopique, la masse par exemple.
    Toute la physique classique a été écrite avant la découverte de l’atome, alors comment une théorie physique peut nous décrire la réalité macroscopique sans connaître les briques fondamentales, de base, avec quoi cette réalité a été construite. La deuxième loi de Newton (F=ma) n’est valable qu’en présence du champ gravitationnel terrestre, ce que cette formule ne mentionne pas. Si on se trouvait sur une autre planète ou le champ gravitationnel est intense, alors ni la force ni la masse et ni l’accélération ne seront les mêmes. Une expérience d’esprit en l’absence du champ gravitationnel terrestre conduirait aux mêmes résultats qu’avait trouvé Galilée en ce qui concerne la chute libre, c’est-à-dire que deux corps de masses différentes soumis à une même force auront la même vitesse, la masse n’intervient pas, et la force est inversement proportionnelle au carré de la distance, une loi générale quelle que soit la nature du mouvement et des objets mis en cause.
    Je crois qu’on s’est écarté du sujet principal du blog qui est le boson de Higgs, et je voudrais proposer un petit objet quantique en relation avec le sujet. « Imaginons un sac dans lequel on met des objets, alors lorsqu’on opère une division et un retournement du sac sur lui-même, le sac retrouve sa forme initiale à la différence que les objets auront disparut. Pour retrouver les objets, il faudrait opérer une seconde fois l’opération de division et de retournement sur le sac vide ». Cette relation exprime : si on a un objet qui vérifie la propriété P, alors il existe un autre objet, différent du premier, qui vérifie la négation de P tels que les deux objets sont équivalents et l’un entraine l’autre. C’est-à-dire aussi qu’à toute particule il existe une anti particule, et la particule et son anti ne font qu’une seule et unique particule inversible ; à partir d’un électron on obtient un positon, du neutrino droitier on obtient son anti le neutrino gaucher, etc. Le photon n’échappe pas à cette règle et il jouit d’une propriété virtuelle remarquable, à savoir qu’il peut dissimuler, en s’inversant sur lui-même, son énergie dans sa structure interne pour se transformer à une structure vide sans aucune énergie réelle, c’est l’anti photon. Ce nouveau boson peut nous expliquer beaucoup de choses, en premier la masse cachée de l’Univers et puis la propriété du vide quantique. Le vide quantique n’est pas rien, mais une structure inversible qui renferme de l’énergie dissimulée ou cachée, à l’exemple du sac, une propriété virtuelle propre au monde microscopique.
    L’idée, que les particules élémentaires ont une masse nulle au départ et c’est grâce à un boson qu’elles acquirent une masse, n’est pas si mauvaise ; mais elle ne se déroule pas comme on a pu imaginer. Lorsqu’un photon percute le vide quantique, il extrait des objets du vide pour former un électron et un positon, et ce sont ces objets qu’emportent les deux leptons qui sont responsable de leurs masses. La masse, cette grande inconnue, nous réserve bien des surprises, elle dépend en premier des bosons (anti photons) associés au vide quantique puis de la densité quantique. On peut comparer la masse à un ressort de masse donnée, alors plus qu’on rétracte le ressort et plus que la masse diminue, et si on le rétracte totalement la masse devient nulle. La masse réapparait au fur et à mesure de l’allongement du ressort, une autre propriété virtuelle réservée au monde microscopique et il y en a d’autres.
    Cordialement

    • CERN (Francais) says:

      Bonjour Hamid,

      on peut effectivement argumenter là-dessus: le monde quantique, microscopique a t-il de quoi en commun avec le moonde macroscopique? Les deux types de lois auxquelles ils réagissent sont très différents. Je persiste à dire qu’on ne peut pas appliquer les lois de la mécanique quantique aux objets macroscopiques. La transition entre les deux est sûrement complexe, je ne m’y connais pas du tout.

      Pour le reste, je continue à croire que vous mélangez up peu les genres, et que les analogies ont leurs limites. Mais vous avez tout à fait raison quand vous dites que le vide quantique n’est pas rien, mais bourré d’énergie.

      Bonne journée, Pauline

  9. J’ai une question à propos du boson de Higgs. On parle souvent de probabilité de le rencontrer et de probabilité de l’avoir vu. Mais est ce possible que ca soit un erreur, et quelle est la marge d’erreur?

    Merci

    • CERN (Francais) says:

      Bonjour,

      ce que les scientifiques du CERN ont fait, ce n’est pas une rencontre avec le boson de Higgs. On a plutôt accumulé plusieurs évènements qui sont compatibles avec l’hypothèse du boson de Higgs. L’existence de cette nouvelle particule ne fait aucun doute. On en est certain à plus de 99.99994% Chose certaine, personne ne l’a rencontré, ni au CERN, ni aileurs. Il se désintègre pratiquement aussitôt.

      J’espère que cela répond un peu à votre question, Pauline

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