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Posts Tagged ‘nouvelle physique’

Le CERN a-t-il découvert une nouvelle particule ou pas? Personne ne le sait encore, bien que nous ayons maintenant fait deux pas de plus depuis le dévoilement des premiers signes d’une possible découverte en décembre.

Premier pas : les expériences ATLAS et CMS ont montré hier à la conférence de Moriond que les signes d’un signal persistent après la réanalyse des données de 2015 à l’aide de calibrations et de techniques de reconstruction améliorées. Le faible signal est même légèrement renforci (voir tableau). CMS a ajouté de nouvelles données recueillies durant une défaillance de leur aimant. Après beaucoup d’efforts et d’ingéniosité, ceci ajoute 20 % de données supplémentaires. De son côté, ATLAS a montré que toutes les données accumulées à moindre énergie jusqu’à 2012 étaient aussi compatibles avec la présence d’une nouvelle particule.

Le tableau ci-dessous montre les résultats présentés par CMS et ATLAS en décembre 2015 et février 2016. Deux hypothèses ont été testées, chacune correspondant à des caractéristiques différentes pour cette hypothétique particule : “spin 0” correspond à un nouveau type de boson de Higgs, tandis que “spin 2” dénote un graviton.

Local” se réfère à l’intensité du signal lorsque mesuré pour une particule ayant une masse de 750 ou 760 GeV, tandis que “global” indique la probabilité de trouver un petit excès sur une large gamme de valeurs de masse. En physique, les fluctuations statistiques sont monnaies courantes. On trouve toujours une petite anomalie lorsqu’on cherche dans tous les coins. Il est donc sage de prendre en compte un intervalle élargi. Globalement donc, l’excédent d’événements observé est toujours très limité. On est encore bien loin de la barre des 5σ, le critère utilisé pour une découverte. Ce qui est très fort par contre, c’est que les deux expériences l’ont trouvé indépendamment.

tableau-750GeV

Le deuxième et bien plus grand pas franchi, c’est que la confirmation possible de la présence d’une nouvelle particule se rapproche simplement parce que la reprise du Grand Collisionneur de Hadrons est imminente. On attend les nouvelles données début mai. Dans 2 ou 3 mois, les deux expériences connaîtront enfin la réponse

Mais sans plus de données, impossible de confirmer ou réfuter l’existence d’une nouvelle particule avec certitude. Et c’est justement pour cela qu’on paie les physiciens et physiciennes: déterminer les lois de la Nature sans qu’il ne subsiste l’ombre d’un doute.

Cela n’empêche personne de rêver en attendant, car si ceci était confirmé, ce serait la plus grande percée en physique des particules depuis des décennies. Déjà, la frénésie s’est emparée des théoriciens et théoriciennes. On comptait en date du premier mars 263 articles théoriques sur le sujet. Tout le monde essaye de déterminer ce que cela pourrait être.

Pourquoi est-ce si passionnant ? Si elle existe, ce serait la première particule à être découverte à l’extérieur du Modèle Standard, la théorie actuelle. La découverte du boson de Higgs en 2012 avait été prévue et avait simplement complété une théorie existante. Un exploit, bien sûr, mais la découverte d’une particule imprévue révèlerait enfin la nature d’une théorie plus vaste dont tout le monde soupçonne l’existence, mais qui n’a pas encore été trouvée. Hier à la conférence de Moriond, Alessandro Strumia, un théoricien du CERN, a prédit que cette particule s’accompagnerait probablement d’une kyrielle de nouvelles particules.

Les théoriciens et théoriciennes ont passé des années à essayer d’imaginer cette nouvelle théorie tandis que du côté expérimental, on a déployé des efforts héroïques à trier des quantités faramineuses de données à la recherche de la moindre anomalie. Nul besoin de dire que l’atmosphère est fébrile en ce moment au CERN; tout le monde retient son souffle en attendant les nouvelles données.

Pauline Gagnon

Pour en savoir plus sur la physique des particules et les enjeux du LHC, consultez mon livre : « Qu’est-ce que le boson de Higgs mange en hiver et autres détails essentiels», en librairie en France et en Suisse dès le 1er mai.

Pour recevoir un avis 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.

 

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Depuis le 15 décembre, j’ai compté 200 nouveaux articles théoriques, chacun offrant une ou plusieurs explications possibles sur la nature d’une nouvelle particule qui n’a pas encore été découverte. Cette frénésie a commencé lorsque les expériences CMS et ATLAS ont toutes deux rapporté avoir trouvé quelques événements qui pourraient révéler la présence d’une nouvelle particule se désintégrant en deux photons. Sa masse serait autour de 750 GeV, soit cinq fois la celle du Higgs boson.

Personne ne sait si un tel engouement est justifié mais cela illustre combien les physiciens et physiciennes espèrent une découverte majeure dans les années à venir. Est-ce que cela se passera comme pour le boson de Higgs, qui fut officiellement découvert en juillet 2012, bien que quelques signes avant-coureurs apparurent un an auparavant ? Il est encore bien trop tôt pour le dire. Et comme je l’avais écrit en juillet 2011, c’est comme si nous essayions de deviner si le train s’en vient en scrutant l’horizon par une morne journée d’hiver. Seule un peu de patience nous dira si la forme indistincte à peine visible au loin est bien le train longuement attendu ou juste une illusion. Il faudra plus de données pour pouvoir trancher, mais en attendant, tout le monde garde les yeux rivés sur cet endroit.
LeTrainDeMidiLe train de midi, Jean-Paul Lemieux, Galerie nationale du Canada

En raison des difficultés inhérentes à la reprise du LHC à plus haute énergie, la quantité de données récoltées à 13 TeV en 2015 par ATLAS et CMS a été très limitée. De tels petits échantillons de données sont toujours sujets à de larges fluctuations statistiques et l’effet observé pourrait bien s’évaporer avec plus de données. C’est pourquoi les deux expériences se sont montrées si réservées lors de la présentation de ces résultats, déclarant clairement qu’il était bien trop tôt pour sauter au plafond.

Mais les théoriciens et théoriciennes, qui cherchent en vain depuis des décennies un signe quelconque de phénomènes nouveaux, ont sauté sur l’occasion. En un seul mois, y compris la période des fêtes de fin d’année”, 170 articles théoriques avaient déjà été publiés pour suggérer autant d’interprétations différentes possibles pour cette nouvelle particule, même si on ne l’a pas encore découverte.

Aucune nouvelle donnée ne viendra avant quelques mois en raison du de la maintenance annuelle. Le Grand Collisionneur de Hadrons repartira le 21 mars et devrait livrer les premières collisions aux expériences le 18 avril. On espère un échantillon de données de 30 fb-1 en 2016, alors qu’en 2015 seuls 4 fb-1 furent produits. Lorsque ces nouvelles données seront disponibles cet été, nous saurons alors si cette nouvelle particule existe ou pas.

Une telle possibilité serait une véritable révolution. Le modèle théorique actuel de la physique des particules, le Modèle Standard, n’en prévoit aucune. Toutes les particules prédites par le modèle ont déjà été trouvées. Mais puisque ce modèle laisse encore plusieurs questions sans réponses, les théoriciennes et théoriciens sont convaincus qu’il doit exister une théorie plus vaste pour expliquer les quelques anomalies observées. La découverte d’une nouvelle particule ou la mesure d’une valeur différente de celle prévue par la théorie révèleraient enfin la nature de cette nouvelle physique allant au-delà du Modèle Standard.

Personne ne connaît encore quelle forme cette nouvelle physique prendra. Voilà pourquoi tant d’explications théoriques différentes pour cette nouvelle particule ont été proposées. J’ai compilé certaines d’entre elles dans le tableau ci-dessous. Plusieurs de ces articles décrivent simplement les propriétés requises par un nouveau boson pour reproduire les données observées. Les solutions proposées sont incroyablement diversifiées, les plus récurrents étant diverses versions de modèles de matière sombre ou supersymétriques, de Vallée Cachée, de Grande Théorie Unifiée, de bosons de Higgs supplémentaire ou composites, ou encore des dimensions cachées. Il y en a pour tous les goûts : des axizillas au dilatons, en passant pas les cousins de pions sombres, les technipions et la trinification.

La situation est donc tout ce qu’il y a de plus clair : tout est possible, y compris rien du tout. Mais n’oublions pas qu’à chaque fois qu’un accélérateur est monté en énergie, on a eu droit à de nouvelles découvertes. L’été pourrait donc être très chaud.

Pauline Gagnon

Pour en savoir plus sur la physique des particules et les enjeux du LHC, consultez mon livre : « Qu’est-ce que le boson de Higgs mange en hiver et autres détails essentiels».

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tableau

Un résumé partiel du nombre d’articles publiés jusqu’à maintenant et le type de solutions proposées pour expliquer la nature de la nouvelle particule, si nouvelle particule il y a. Pratiquement tous les modèles théoriques connus peuvent être adaptés pour accommoder une nouvelle particule compatible avec les quelques événements observés. Ce tableau est juste indicatif et en aucun cas, strictement exact puisque plusieurs articles étaient plutôt difficiles à classer. Une de ces idées s’avèrera-t-elle être juste ?

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Si, et vraiment seulement si…

Wednesday, December 16th, 2015

Si le LHC était une échelle et les nouvelles particules tant recherchées, des boîtes cachées sur les étagères les plus hautes, la montée en énergie du LHC s’apparente à l’acquisition d’une échelle plus longue donnant accès aux dernières étagères. Fin 2012, les échelles étaient plus courtes, mais on en avait dix fois plus, facilitant l’exploration des étagères à notre portée. ATLAS et CMS viennent de jeter leur premier coup d’œil à un endroit jamais exploré auparavant mais auront besoin de plus de données pour les inspecter en profondeur.

Le 15 décembre, lors du séminaire de fin d’année, les expériences CMS et ATLAS du CERN ont présenté leurs premiers résultats basés sur les toutes nouvelles données accumulées en 2015 depuis la reprise du Grand collisionneur de hadrons (LHC) à 13 TeV, l’énergie d’exploitation la plus haute jamais atteinte. Bien que la quantité de données ne soit que le dixième de ce qu’elle était à plus basse énergie (soit 4 fb-1 pour ATLAS et 2,8-1 fb pour CMS pour les données recueillies à 13 TeV comparés à 25 fb-1 à 8 TeV pour chaque expérience), cette augmentation en énergie met désormais des particules hypothétiques plus massives à la portée des expériences.

Les deux expériences ont d’abord démontré comment leurs détecteurs se sont comportés après plusieurs améliorations majeures, y compris l’acquisition des données à deux fois le taux utilisé en 2012. Les deux groupes ont contrôlé sous toutes les coutures comment les particules déjà connues se comportent à plus haute énergie, sans trouver d’anomalies. Mais c’est dans la recherche de particules nouvelles et plus lourdes que tous les espoirs sont permis. Les deux groupes ont exploré des douzaines de possibilités différentes, triant des milliards d’événements.

Chaque événement est un cliché de ce qui s’est produit lorsque deux protons entrent en collision dans le LHC. L’énergie dégagée par la collision se matérialise sous forme de particules lourdes et instables qui se désintègrent aussitôt, provoquant de mini feux d’artifice. En attrapant, identifiant et regroupant toutes les particules qui s’échappent du point de collision, on peut reconstruire les particules originales qui ont été produites.

Les expériences CMS et ATLAS ont toutes deux trouvé de petits excès en sélectionnant les événements contenant deux photons. Dans plusieurs de ces événements, les deux photons semblent venir de la désintégration d’une particule ayant une masse d’environ 750 GeV, soit 750 fois plus lourde qu’un proton ou 6 fois la masse d’un boson de Higgs. Puisque les deux expériences ont regardé une multitude de combinaisons différentes, en vérifiant à chaque fois des douzaines de valeurs de masse pour chaque combinaison, on s’attend toujours à trouver de telles fluctuations statistiques.

ATLAS-diphotonPartie supérieure : la masse combinée exprimée en GeV pour toutes les paires de photons trouvées dans les données récoltées à 13 TeV par ATLAS. Le trait rouge montre à quoi on s’attend venant de sources aléatoires (communément appelé bruit de fond). Les points noirs correspondent aux données et les lignes, les erreurs expérimentales. La petite bosse à 750 GeV est ce qui est maintenant intrigant. La partie du bas montre la différence entre des points noirs (les données) et la courbe rouge (le bruit de fond), montrant clairement un petit excès de 3,6σ ou 3,6 fois l’erreur expérimentale. Quand on prend en compte toutes les fluctuations possibles à toutes les valeurs de masse considérées, l’excès n’est plus que de 2,0σ.

Ce qui est intrigant, c’est que les deux équipes ont trouvé la même chose à exactement au même endroit, sans s’être consulté et en utilisant des techniques de sélection conçues pour ne pas biaiser les données. Néanmoins, les deux groupes expérimentaux sont extrêmement prudents, déclarant qu’une fluctuation statistique est toujours possible jusqu’à ce que plus de données soient disponibles pour tout vérifier avec une précision accrue.
CMS-combined-p0CMS a légèrement moins de données qu’ATLAS à 13 TeV et par conséquent, décèle un effet beaucoup plus petit. Dans leurs seules données prises à 13 TeV, l’excès à 760 GeV est de 2,6σ, 3,0σ lorsque combiné avec les données de 8 TeV. Mais au lieu de juste évaluer cette probabilité localement, les physiciens et physiciennes préfèrent prendre en compte les fluctuations pour toutes les valeurs de masse considérées. La probabilité n’est alors que de 1,2σ, pas de quoi fouetter un chat. C’est “l’effet de regarder ailleurs” : il prend en compte qu’on finit toujours par trouver une fluctuation quelque part quand on regarde dans tant d’endroits.

Les théoriciens et théoriciennes se retiennent beaucoup moins. Depuis des décennies, on sait que le Modèle standard, le modèle théorique actuel de la physique des particules, n’explique pas tout, sans pouvoir progresser. Tout le monde espère donc qu’un indice viendra des données expérimentales pour aller de l’avant. Beaucoup ont dû travailler dur toute la nuit car huit nouveaux articles sont apparus dès ce matin, proposant des explications variées sur la nature possible de la nouvelle particule, si particule nouvelle il y a. Quelques personnes pensent que cela pourrait être une particule liée à la matière sombre, d’autres penchent pour un autre type de boson de Higgs tel que prédit par la Supersymétrie ou même y voient les premiers signes de nouvelles dimensions. D’autres proposent qu’un tel effet ne pourrait se produire que si cette particule s’accompagne d’une deuxième particule plus lourde. Tout le monde suggère quelque chose au-delà du Modèle standard.

Deux choses sont certaines : tout d’abord, le nombre d’articles théoriques dans les prochaines semaines va exploser. Et deuxièmement, on ne pourra pas dire si il y a nouvelle particule sans plus de données. Avec un peu de chance, nous pourrions en savoir plus dès l’été prochain lorsque le LHC aura produit plus de données. D’ici là, tout cela n’est que pure spéculation.

Ceci étant dit, il ne faut toutefois pas oublier que le boson de Higgs a fait son apparition de façon très semblable. Les premiers signes de son existence étaient déjà visibles en juillet 2011. Avec plus de données, ces signes s’étaient renforcés en décembre 2011 à un autre séminaire de fin d’année mais sa découverte n’a pu être établie que lorsque encore plus de données eurent été recueillies et analysées en juillet 2012. Ouvrir ses cadeaux avant Noël n’est jamais une bonne idée.

Passez de bonnes Fêtes, Pauline Gagnon

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Le « Symposium des collisionneurs d’hadrons » s’est ouvert lundi  à Kyoto sur une bonne note.  Pour la première fois, la collaboration LHCb qui opère au Grand Collisionneur de Hadrons (LHC) au CERN a dévoilé la toute première évidence de désintégrations rarissimes, celles de mésons Bs en deux muons (une particule semblable à l’électron mais 200 fois plus lourde). Les mésons forment une classe de particules faites d’un quark et d’un antiquark, ici un quark b et un antiquark s.

Ces mésons sont très instables et se désintègrent en particules plus légères en une picoseconde, soit un millionième de millionième de seconde.

Ces désintégrations en deux muons sont prédites par la théorie, le modèle standard de la physique des particules. Cela devrait se produire environ 3 fois par milliards de désintégrations. En notation scientifique, on écrit (3.54±0.30)x10-9. La valeur de 0.30 représente la marge d’erreur théorique. La collaboration LHCb a donc annoncé avec beaucoup de fierté avoir mesuré (3.2+1.5-1.2)x10-9 ,  soit une valeur très proche de la valeur théorique en tenant compte de la marge d’erreur expérimentale.

 

Voici la distribution des valeurs obtenues par LHCb pour la masse combinée des deux muons. La courbe continue en bleu représente la somme de toutes les contributions de sources connues contenant deux muons. La courbe rouge en pointillés montre le nombre d’évènements venant de la désintégration de mésons Bs. Les points en noir représentent les données avec leur marge d’erreur (barres verticales et horizontales). Les données semblent correspondre à la somme de toutes les sources connues, laissant peu de place pour de nouveaux phénomènes.

 

Ce résultat constitue un véritable exploit, non seulement parce que c’est le plus petit taux de désintégration jamais mesuré, mais surtout parce qu’il impose de fortes contraintes sur tous les nouveaux modèles théoriques. Voici pourquoi.

Les théoriciens et théoriciennes sont convaincus qu’il existe une théorie plus complète que le modèle standard actuel, même si on n’a pas encore réussi à en détecter le moindre effet. Un peu comme si le modèle standard était à la physique des particules ce que l’arithmétique (addition, soustraction etc.) est aux mathématiques. Cela suffit amplement pour les opérations quotidiennes mais pour les tâches plus complexes, il nous faut l’algèbre ou le calcul intégral et différentiel.  En physique des particules, nous avons des problèmes que l’on ne peut résoudre avec le modèle standard, comme par exemple il n’explique pas la nature de la matière noire. On cherche donc les premiers signes de la « nouvelle physique ».

Un bon endroit où regarder pour détecter cette nouvelle physique est justement là où la théorie actuelle prédit des phénomènes très rares comme ces désintégrations de mésons Bs. Elles sont justement rarissimes car la théorie n’a que très peu de façons de les produire. Si cette nouvelle physique existe, on soupçonne qu’elle contribuera par de nouveaux mécanismes. On verrait peut-être alors ce genre de désintégrations se produire un peu plus souvent.

C’est un peu comme si on voulait utiliser la surface d’un lac pour déceler la présence d’une créature invisible en espérant voir les rides que son souffle produirait sur l’eau. Bien sûr, cela ne pourrait fonctionner que pour un lac très calme, à peine perturbé par un tout petit poisson ou un insecte dans l’espoir de voir apparaitre des vaguelettes venant d’une autre source. Le résultat actuel de LHCb montre qu’en fait aucune ride n’est visible sur le lac qu’on ne puisse imputer à une cause déjà connue. Si la situation demeure inchangée lorsque la marge d’erreur aura diminuée (en analysant dans les mois à venir les données en cours d’acquisition), on devra conclure que soit la nouvelle créature ne respire pas comme on le pensait, soit qu’il faudra élaborer une méthode plus efficace.

Ce nouveau résultat semble indiquer que la nouvelle physique sera plus difficile à révéler qu’on ne l’espérait. En attendant, cela permettra aux théoriciennes et théoriciens d’éliminer les nouveaux modèles inadéquats, ce qui finira éventuellement par les orienter dans la bonne direction. Entre temps, les expérimentateurs et expérimentatrices devront élaborer des techniques plus raffinées pour enfin mettre le doigt sur cette nouvelle physique.

 

Ce graphe démontre comment cette mesure (représentée par l’axe horizontal) effectuée plus tôt cette année avait déjà grandement contraint les valeurs permises pour différents modèles. Le nouveau résultat les renforcera encore davantage.

(Pour plus de détails, voir la page publique de LHCb (en anglais seulement))

Pauline Gagnon

 

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