Archives mensuelles : décembre 2011

Le LHC et le Boson de Higgs

Non ce n’est pas une fable de la Fontaine mais une épopée de la physique moderne : la traque d’une particule invisible par un accélérateur de particules de 27 km de circonférence…

Aujourd’hui à 14h, une conférence donnée au CERN par les 2 porte-paroles des expériences phares du LHC (ATLAS et CMS) faisait un résumé des résultats obtenus grâce à l’accélérateur de particules LHC lors de la campagne de collisions 2011. Je vais donc essayer de vous faire un résumé compréhensible de cette conférence à laquelle j’ai assisté cette après-midi.

Les résultats des 2 expériences indépendantes sont très similaires et indiquent deux grandes tendances:

  • Le modèle standard de la physique des particules fonctionne comme prévu à 7 TeV (l’énergie maximale des collisions du LHC en 2011).
  • Le boson de Higgs n’a plus beaucoup d’endroits où se cacher et il commencerait à montrer le bout de son nez vers une énergie de 125 GeV mais pas encore de quoi annoncer sa découverte.

 Le modèle standard

Le modèle standard de la physique des particules est la théorie physique utilisée aujourd’hui pour décrire la matière et ses interactions. L’objectif des accélérateurs de particules est de tester cette théorie autant que possible pour voir si la nature est bien celle que les physiciens imaginent, voir ce billet que j’ai écrit il y a quelques mois à ce sujet.

Le LHC ouvre à présent une nouvelle gamme d’énergie encore jamais explorée par les accélérateurs et c’est pour cela que les physiciens sont un peu fébriles. Après plusieurs milliards de milliards de collisions effectuées et analysées durant cette année 2011, les particules se sont comportées comme la théorie le prévoit et le modèle standard se trouve ainsi conforté.

 Le Boson de Higgs

Le boson de Higgs est une particule un peu à part dans ce modèle standard car elle permet d’expliquer la masse de toutes les autres particules, constituant ainsi la pierre angulaire de cette théorie. Le problème est que ce boson de Higgs a une section efficace extrêmement faible, ce qui signifie qu’il faut faire des milliards de milliards de collisions pour voir 1 seul boson de Higgs, ce qui explique entre autre pourquoi aucun accélérateur n’a encore été capable de le voir. Voir ce billet qui explique tout ça par rapport à la campagne de collisions du LHC en 2010.

De plus, les physiciens ne savent pas exactement quelle est la masse du Higgs, ou son énergie, rappelez-vous que masse et énergie sont équivalentes selon la relativité restreinte d’Einstein (E= mc²). Plusieurs théories existent et peuvent expliquer le boson de Higgs à différentes énergies mais pour trancher, il faut le « voir » et donc faire des expériences, ceci étant le but du LHC. Les accélérateurs vont donc balayer petit à petit des bandes d’énergies pour voir si le boson de Higgs se cache à l’intérieur.

Deux grands principes sont à garder à l’esprit:

  • Plus l’énergie de la particule recherchée est importante, plus l’accélérateur doit être puissant.
  • Plus la section efficace est petite, plus le nombre de collisions doit être important pour voir statistiquement la particule recherchée.

Le LHC essaye donc de faire le plus de collisions possible à des énergies les plus hautes possibles pour « voir » ce boson de Higgs.

Comment « voir » le Higgs ?

Le boson de Higgs n’est pas directement détectable car sa durée de vie est trop faible. On cherche donc des particules qui pourraient être issues de sa désintégration en d’autres particules. Selon la masse du Higgs (toujours inconnue), les schémas de désintégration sont différents les uns des autres. Dans le cas du LHC, on cherche un boson de Higgs ayant une masse comprise entre 115 GeV et 600 GeV car les accélérateurs précédents ont écarté un Higgs en dessous de 115 GeV, et au dessus de 600 GeV le modèle standard ne marche plus.

Au total, les expériences ATLAS et CMS balayent ainsi une dizaine de schémas de désintégration possibles pour le Higgs. Par exemple dans l’hypothèse d’un Higgs léger entre 110 et 150 GeV, il peut se désintégrer en 2 photons gamma émis dans 2 directions opposées.

C’est cette dernière désintégration qui semble aujourd’hui sortir un peu du lot suite aux observations faites par ATLAS et CMS. Mais encore une fois, pour être certain que les mesures sont fiables, il faut valider statistiquement les mesures accumulées ce qui nécessite une quantité de données absolument gigantesque tant l’évènement de voir un Higgs est rare.

Les 2 expériences ont vu se dessiner un pic dans les collisions analysées qui indiquerait que le boson de Higgs aurait une masse proche de 125 GeV, voir les graphiques ci-dessous. Pour lire ces graphiques,  tant que la courbe noire (mesure) reste dans les bandes jaunes ou vertes, on ne peut rien dire car ces 2 courbes symbolisent l’incertitude des mesures. En revanche, dès que des données commencent à « sortir » de ces bandes, c’est que le Higgs pourrait se cacher à cet endroit.

Résultats préliminaires de ATLAS et CMS dans la recherche du Boson de Higgs dans l’hypothèse d’un boson de Higgs autour de 125 GeV issu d’une désintégration en 2 photons gamma.

Conclusion

Une tendance commence donc à apparaître pour un Higgs vers 125 GeV mais ce n’est pas encore assez pour certifier que le Higgs existe à cette énergie. Pour l’instant ATLAS estime la masse possible entre 116 GeV et 130 GeV et CMS entre 115 GeV et 127 GeV (les zones autour ont été exclues).

Pour valider ce résultat, il faudra accumuler encore plus de données pour voir si ce pic va être lissé ou bien s’accentuer, auquel cas l’existence du Higgs ne fera plus de doute. Si les attentes du CERN pour 2012 sont remplies, il y aura 4 fois plus de données à analyser dans un an et cette accumulation de collisions permettra de trancher la question du boson de Higgs avec 99% de certitude.

Fable à suivre…

C’est l’espace : le CNES a 50 ans !

Le Centre National d’Etudes Spatiales (CNES) a 50 ans cette année et à cette occasion, il publie un ouvrage à mettre entre toutes les mains: C’est l’espace !

Le principe de ce bel ouvrage de 300 pages magnifiquement illustré est de recenser un ensemble hétéroclite de savoirs, d’histoires et de curiosités sous forme encyclopédique avec 101 entrées, de « Actualité » à « Vie ». D’une page à l’autre on voyage en ordre alphabétique, ce qui peut au début surprendre. On passera donc sans problème de Migration à Militaire puis à Mode. Au final, cette lecture parfois décousue permet au lecteur de tomber sur des articles assez inattendus et ce sont généralement de bonnes surprises.

Des sujets variés

Comme on peut l’attendre, les grands succès spatiaux comme Ariane ou Apollo avec le premier pas sur la Lune sont abordés mais les ratés sont aussi au menu comme l’article Désenchantement qui nous rappelle que la conquête spatiale est périlleuse. On gardera en mémoire l’explosion de la navette Challenger en 1986 qui a meurtrie l’Amérique. Au total, 21 astronautes sont morts en mission lors de 4 crashs depuis les débuts de l’aventure spatiale (en 1967, 1971, 1986 et 2003).

Il est bien sûr question des technologies spatiales et de science dans les articles, mais pas seulement. On y trouve des articles artistiques comme Architecture, Art Brut, BD, Chanson, Cinéma, Design, Mode, Publicité, Space Art, des articles politiques avec Bipolaire ou Europe ainsi qu’un grand nombre d’articles plutôt philosophiques tels Cieux et Spatialité. La science fiction est également de la partie avec des articles sur les Cyborgs, la TV, le Cinéma et la Littérature car la science fiction s’est souvent inspirée des technologies de l’espace, mais l’inverse est également vrai.

Personnellement, j’ai été très sensible aux textes des historiens qui nous rappellent que la conquête spatiale est passée par de très nombreuses étapes progressives et pas toujours très glorieuses comme l’histoire de la fusée nazie V2 assemblée par les détenues des camps de concentration et destinée à tuer des civils pendant la seconde guerre mondiale.  On verra d’ailleurs dans un grand nombre d’articles que cette fusée V2 à inspiré toutes les autres puissances spatiales et qu’elle réapparaît souvent.

Au fil des pages, des articles insolites peuvent aussi surgirent tel que Poste où l’on apprend que depuis les années 30, différentes compagnies postales prévoyaient l’envoi de courrier à l’aide de fusées. On s’étonnera de voir que la poste française avait conçu une fusée prototype en 1960 et qu’elle prévoyait d’envoyer le courrier vers la Corse en fusée dans les années à venir! Des articles permettent également de répondre à des interrogations légitimes telles que le Droit juridique dans l’espace ainsi que le Coût et l’organisation de ces gigantesques Projets. Mais ce sont surtout des articles qui nous font rêver en nous faisant des Promesses qui peuplent ce livre accessible à tous.

Cocorico

En dehors des Etats-Unis et de la Russie qui ont été les pionniers de l’espace, on parle évidemment de la France avant tout, puisque le CNES est une entité française et que ce livre se veut un peu comme le témoignage du CNES à la conquête spatiale française. On nous rappelle donc que la France a été la 3ème puissance spatiale mondiale après les USA et l’URSS en 1965 lors du lancement de son premier Satellite Astérix (Cocorico !).

On trouvera par exemple un article sur la base de Hammaguir en Algérie qui a été un terrain d’essai clef pour la France dans les années 50 et 60  ainsi qu’un article sur la venue de Gagarine en 1963 à Ivry-sur-Seine, commune alors communiste. Il est également question de l’antenne géante de Pleumeur-Bodou de 340 tonnes en Bretagne (le radôme), qui permit la première réception télévisuelle transatlantique le 10 juillet 1962 via le satellite Telstar.

Pour conclure

Pour conclure mon billet, j’utiliserai la même conclusion que l’article Cosmologie qui résume bien l’esprit de cet ouvrage qui fera sans doute des heureux à Noël: « Sans la physique, l’astronomie n’a pas de tête, sans le CNES, la physique n’a pas d’ailes. »

Plus d’infos avec des extraits: http://www.cnes.fr/web/CNES-fr/9642-c-est-l-espace-.php