Quantum Diaries

Les grandes percées sont rares en physique. La recherche est plutôt jalonnée d’innombrables petites avancées et c’est ce qui ressortira de la Conférence Internationale de la Physique des Hautes Énergies (ICHEP) qui s’est ouverte hier à Chicago. On y espérait un pas de géant mais aujourd’hui les expériences CMS et ATLAS ont toutes deux rapporté que l’effet prometteur observé à 750 GeV dans les données de 2015 avait disparu. Il est vrai que ce genre de choses n’est pas rare en physique des particules étant donné la nature statistique de tous les phénomènes que nous observons.

Sur chaque figure, l’axe vertical indique le nombre d’évènements trouvés contenant une paire de photons dont la masse combinée apparaît sur l’axe horizontal en unités de GeV. (À gauche) Les points en noir représentent les données expérimentales recueillies et analysées jusqu’à présent par la Collaboration CMS, soit 12.9 fb^-1, à comparer aux 2.7 fb^-1 disponibles en 2015. Le trait vertical associé à chaque point représente la marge d’erreur expérimentale. En tenant compte de ces erreurs, les données sont compatibles avec ce à quoi on s’attend pour le bruit de fond, tel qu’indiqué par la courbe en vert. (À droite) Une nouvelle particule se serait manifestée sous forme d’un pic tel que celui en rouge si elle avait eu les mêmes propriétés que celles pressenties dans les données de 2015 à 750 GeV. Visiblement, les données expérimentales (points noirs) reproduisent simplement le bruit de fond. Il faut donc conclure que ce qui avait été aperçu dans les données de 2015 n’était que le fruit d’une variation statistique.

Mais dans ce cas, c’était particulièrement convainquant car le même effet avait été observé indépendamment par deux équipes qui travaillent sans se consulter et utilisent des méthodes d’analyse et des détecteurs différents. Cela avait déclenché beaucoup d’activités et d’optimisme : à ce jour, 540 articles scientifiques ont été écrits sur cette particule hypothétique qui n’a jamais existé, tant l’implication de son existence serait profonde.

Mais les théoriciens et théoriciennes ne furent pas les seuls à nourrir autant d’espoir. Beaucoup d’expérimentalistes y ont cru et ont parié sur son existence, un de mes collègues allant jusqu’à mettre en jeu une caisse d’excellent vin.

Si beaucoup de physiciens et physiciennes avaient bon espoir ou étaient même convaincus de la présence d’une nouvelle particule, les deux expériences ont néanmoins affiché la plus grande prudence. En l’absence de preuves irréfutables de sa présence, aucune des deux collaborations, ATLAS et CMS, n’a revendiqué quoi que ce soit. Ceci est caractéristique des scientifiques : on parle de découvertes seulement lorsqu’il ne subsiste plus aucun doute.

Mais beaucoup de physiciens et physiciennes, moi y compris, ont délaissé un peu leurs réserves, non seulement parce que les chances que cet effet disparaisse étaient très minces, mais aussi parce que cela aurait été une découverte beaucoup plus grande que celle du boson de Higgs, générant du coup beaucoup d’enthousiasme. Tout le monde soupçonne qu’il doit exister d’autres particules au-delà de celles déjà connues et décrites par le Modèle standard de la physique des particules. Mais malgré des années passées à leur recherche, nous n’avons toujours rien à nous mettre sous la dent.

Depuis que le Grand collisionneur de hadrons (LHC) du CERN opère à plus haute énergie, ayant passé de 8 TeV à 13 TeV en 2015, les chances d’une découverte majeure sont plus fortes que jamais. Disposer de plus d’énergie donne accès à des territoires jamais explorés auparavant.

Jusqu’ici, les données de 2015 n’ont pas révélé la présence de particules ou phénomènes nouveaux mais la quantité de données recueillies était vraiment limitée. Au contraire, cette année le LHC se surpasse, ayant déjà produit cinq fois plus de données que l’année dernière. On espère y découvrir éventuellement les premiers signes d’un effet révolutionnaire. Des dizaines de nouvelles analyses basées sur ces données récentes seront présentées à la conférence ICHEP jusqu’au 10 août et j’en reparlerai sous peu.

Il a fallu 48 ans pour découvrir le boson de Higgs après qu’il fut postulé théoriquement alors qu’on savait ce que l’on voulait trouver. Mais aujourd’hui, nous ne savons même pas ce que nous cherchons. Cela pourrait donc prendre encore un peu de temps. Il y a autre chose, tout le monde le sait. Mais quand le trouverons nous, ça, c’est une autre histoire.

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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Giant leaps are rare in physics. Scientific research is rather a long process made of countless small steps and this is what will be presented throughout the week at the International Conference on High Energy Physics (ICHEP) in Chicago. While many hoped for a major breakthrough, today, both the CMS and ATLAS experiments reported that the promising effect observed at 750 GeV in last year’s data has vanished. True, this is not uncommon in particle physics given the statistical nature of all phenomena we observe.

On both plots, the vertical axis gives the number of events found containing a pair of photons with a combined mass given in units of GeV (horizontal axis) (Left plot) The black dots represent all data collected in 2016 and analysed so far by the CMS Collaboration, namely 12.9 fb^-1, compared to the 2.7 fb^-1 available in 2015. The vertical line associated with each data point represents the experimental error margin. Taking these errors into account, the data are compatible with what is expected from various backgrounds, as indicated by the green curve. (Right) A new particle would have manifested itself as a peak as big as the red one shown here if it had the same features as what had been seen in the 2015 data around 750 GeV. Clearly, the black data points pretty much reproduce the background. Hence, we must conclude that what was seen in the 2015 data was simply due to a statistical fluctuation.

What was particularly compelling in this case was that the very same effect had been observed by two independent teams, who worked without consulting each other and used different detectors and analysis methods. This triggered frantic activity and much expectation: to date, 540 scientific theory papers have been written on a hypothetical particle that never was, so profound the implications of the existence of such a new particle would be.

But theorists were not the only ones to be so hopeful. Many experimentalists had taken strong bets, one of my colleagues going as far as putting a case of very expensive wine on it.

If many physicists were hopeful or even convinced of the presence of a new particle, both experiments nevertheless had been very cautious. Without unambiguous signs of its presence, neither the ATLAS nor the CMS Collaborations had made claims. This is very typical of scientists: one should not claim anything until it has been established beyond any conceivable doubt.

But many theorists and experimentalists, including myself, threw some of our caution to the air, not only because the chances it would vanish were so small but also because it would have been a much bigger discovery than that of the Higgs boson, generating much enthusiasm. As it stands, we all suspect that there are other particles out there, beyond the known ones, those described by the Standard Model of particle physics. But despite years spent looking for them, we still have nothing to chew on. In 2015, the Large Hadron Collider at CERN raised its operating energy, going from 8 TeV to the current 13 TeV, making the odds for a discovery stronger than ever since higher energy means access to territories never explored before.

So far, the 2015 data has not revealed any new particle or phenomena but the amount of data collected was really small. On the contrary, this year, the LHC is outperforming itself, having already delivered five times more data than last year. The hope is that these data will eventually reveal the first signs of something revolutionary. Dozens of new analyses based on the recent data will be presented until August 10 at the ICHEP conference and I’ll present some of them later on.

It took 48 years to discover the Higgs boson after it was first theoretically predicted when we knew what to expect. This time, we don’t even know what we are looking for. So it could still take a little longer. There is more to be found, we all know it. But when will we find it, is another story.

Pauline Gagnon

To find out more about particle physics, check out my book « Who Cares about Particle Physics: making sense of the Higgs boson, the Large Hadron Collider and CERN ».

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