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Où en sommes nous avec la quête du boson de Higgs?

Une des particules les plus recherchées en physique des particules, le boson de Higgs, semble jouer à la cachette. C’est peut-être parce qu’il n’existe tout simplement pas! Tout ce que nous physiciennes et physiciens savons c’est que quelque chose manque à la théorie actuelle. Ce pourrait être le boson de Higgs, ce qui serait la solution la plus simple. Ou encore il n’existe pas, ce qu’on doit prouver définitivement et passer à la prochaine hypothèse.

Nous possédons un modèle théorique appelé le modèle standard qui a résisté à des décennies de vérifications expérimentales sans révéler la moindre faille. Ce modèle prédit combien d’évènements contenant un boson de Higgs on devrait observer s’il existe, mais sans rien révéler sur sa masse, nous obligeant à chercher à l’aveuglette.

Un événement est un instantané de ce qui se produit quand des protons voyageant à près de la vitesse de la lumière entrent en collision dans le Grand Accélérateur de Hadrons ou LHC. Le modèle standard nous donne aussi le nombre d’évènements d’autres types qui pourraient simuler la signature d’une désintégration d’un boson de Higgs. Ces évènements qu’on appelle bruit de fond compliquent les mesures. Nous établissons des critères de sélection spécifiques afin de sélectionner un signal en particulier tout en minimisant la quantité de bruit de fond qui réussira à se faufiler. On utilise les prédictions théoriques pour évaluer le nombre d’événements pouvant émaner du signal ou du bruit de fond qui seront  retenu pour chaque critère de sélection. Il suffit de comparer ces prédictions avec ce que l’on recueille réellement avec nos détecteurs pour déduire si certains contiennent un Higgs ou pas.

Imaginez tous les évènements recueillis comme le contenu d’un lac par une journée sans vent. Si un poisson vient à passer, on peut détecter sa présence par l’apparition de vagues à la surface de l’eau. La présence d’un boson de Higgs se révèlerait de la même manière: une vague à la surface de l’eau calme. Mais en cas de vent, les rides à la surface masqueront la présence du poisson. Le bruit de fond agit comme le vent: il varier aussi selon les lois de la statistique, créant une surface inégale qu’il est facile de méprendre pour un signal venant du boson de Higgs. Plus on a de données, moins ces variations sont importantes proportionnellement parlant et plus on a de poissons au même endroit, les rendant beaucoup plus facile à détecter.

Pour résumer, si on espère trouver le boson de Higgs ou tout autre nouvelle particule, plus on a de données, et plus ça devient facile. En attendant, on reste au niveau des suppositions puisque la moindre fluctuation statistique peut nous berner.

C’est ce qui s’est passé cet été quand nous avions cru apercevoir les signes avant-coureurs du boson de Higgs en juillet. Nous n’avions alors qu’un femtobarn inverse de données, ceci étant l’unité de mesure utilisée pour le volume de données. Le mois suivant, avec deux fois plus de données, les expériences CMS et ATLAS ont constaté que le petit excès avait disparu, et devait donc être imputé à une variation statistique, la hantise des physiciens et physiciennes des particules. Si on reprend l’analogie du lac d’apparence calme, les vaguelettes qu’on avait aperçues n’étaient pas dues à la présence de poissons, mais seulement l’effet d’une petite brise.

Après bien des efforts, la première combinaison des résultats d’août ont été rendu public vendredi dernier. Ceci est équivalent à un volume de données de quatre femtobarns inverses collecté par une expérience, soit quatre fois plus qu’en juillet. Ceci nous permet maintenant d’exclure la possibilité d’un boson de Higgs ayant une masse comprise entre 141 et 476 GeV avec un taux de confiance de 95%. Il reste donc de moins en moins d’espace où ce boson pourrait se cacher, soit entre 114 et 141 GeV, ou au-delà de 476 GeV.

C’est à basse masse qu’on s’attend le plus  à le trouver selon certaines considérations théoriques. Mais c’est justement là où il est le plus difficile à discerner, ce qui veut dire qu’on aura besoin de plus de données pour parvenir à voir une vraie vague au-dessus des rides du lac.

Cette année, les expériences ATLAS et CMS ont chacune accumulé environ cinq femtobarns inverses de données. Des centaines de personnes travaillent sans relâche en ce moment pour analyser  toutes ces données avant la mi-décembre, date à laquelle les résultats seront rendus public lors de la réunion du Conseil du CERN. Espérons que nous y parviendrons à temps et qu’un signal émergera enfin. La combinaison de toutes les données disponibles est prévue pour mars.

Une chose est sûre: si le LHC mais aussi les expériences CMS et ATLAS continuent à performer comme cette année, nous devrions avoir la réponse définitive sur l’existence ou l’exclusion du Higgs à jamais d’ici la fin 2012.

Avec un peu de chance, il y a peut-être un beau cadeau de Noël en perspective…

Pauline Gagnon

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Les résultats combinés d’ATLAS et CMS basés sur deux femtobarns inverses de données. La ligne en pointillés représente ce que la théorie prévoit pour un tel volume de données. Les bandes verte et jaune donnent la marge d’erreur sur ces prévisions selon les lois de la statistique, et correspondent à des niveaux de confiance de 68% et 95% de chances d’être correct si toutes les sources d’erreurs expérimentales et théoriques ont bien été prises en compte. Les points en noir montrent les résultats expérimentaux. L’axe horizontal donne les valeurs potentielles pour la masse du boson de Higgs sur une échelle logarithmique. Chaque fois que la courbe expérimentale (les points noirs) tombent sous la ligne horizontale rouge, la valeur de masse correspondante est exclue. La région entre 141 et 476 GeV est donc exclue. Il ne reste que la partie sous cette zone ou au-dessus, quoique des considérations théoriques favorisent une petite masse. Sous 141 GeV en fait, la courbe expérimentale excède la bande jaune par endroits, c’est-à-dire qu’on y observe déjà un tout petit excès d’évènements par rapport à ce que l’on y attendait avec 95% de certitude. Plus les excursions en dehors de la bande jaune sont prononcées, plus les chances d’y trouver le boson de Higgs y sont augmentées.

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