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Chronique des infinis : le chapeau du général Alcazar

Pourrait-il y avoir un lien entre le chapeau du général Alcazar et un prix Nobel ?!?
© Hergé - Moulinsart 2022
Bien qu'aussi étonnant que cela puisse paraître, la réponse est belle et bien: OUI ! Le chapeau mexicain porté par le général représente la forme du potentiel, une des propriétés des champs quantiques décrivant l'infiniment petit, associé à une des particules les plus célèbres au monde : le boson de Brout-Englert-Higgs (BEH), qui doit son nom aux chercheurs qui en ont proposé l'existence.

Un petit voyage sous les Alpes tout d'abord…

Oui, oui, vous avez bien lu ! Pour observer ce fameux boson, des physiciens, ingénieurs, techniciens,... du monde entier travaillent au CERN, l'Organisation Européenne pour la Recherche Nucléaire, qui n'est autre qu'un gigantesque centre pour la recherche en physique des particules. Le CERN abrite notamment le Large Hadron Collider (LHC), un accélérateur de particules circulaire de 27 kilomètres de circonférence enterré sous les Alpes entre la Suisse et la France. C'est l’accélérateur le plus grand et le plus puissant construit à ce jour. Équipé de milliers d'aimants supraconducteurs, il permet d'augmenter l'énergie des particules, comme des protons, à chacune de leur rotation autour de l'accélérateur, et ainsi atteindre des milliards d'électron-volt !

Revenons à notre boson

Le boson BEH et son potentiel si particulier permettent d'expliquer comment les particules élémentaires, telles que l'électron par exemple, acquièrent une masse. La solution à cette question fondamentale a été apportée de façon indépendante il y a près de 60 ans par plusieurs équipes de chercheurs théoriciens, mais il aura fallu des décennies pour qu'elle soit confirmée expérimentalement. L'annonce de cette découverte scientifique majeure a été faite au CERN il y a 10 ans, jour pour jour - le 4 juillet 2012.
Des chercheurs des universités belges d'Anvers, Bruxelles, Gand, et Louvain-la-Neuve étudient la physique des particules et font partie de l'expérience CMS qui a permis entre autres cette découverte grandiose.
Partons à la rencontre de Barbara Clerbaux, professeure à l'ULB, qui est impliquée depuis près de 20 ans dans cette recherche de l'infiniment petit.
La découverte de ce boson prédit indépendamment par les professeurs Brout, Englert et Higgs, fête son dixième anniversaire. Nous imaginons que l’annonce d’une telle découverte se prépare pendant de longs mois. Quel est votre meilleur souvenir de cette période ?
Professeure Barbara Clerbaux: La découverte a été annoncée lors d'un séminaire au CERN le 4 juillet 2012. Lors de ce séminaire, les deux expériences indépendantes CMS et ATLAS ont annoncé avoir vu un signal compatible avec la production du fameux boson de Brout-Englert-Higgs, pour une même valeur de masse à de l'ordre de 125 GeV, soit 125 fois la masse du proton. Pour la petite histoire, lors du fameux séminaire au CERN, les chercheurs de l'expérience CMS ne connaissaient pas le détail des résultats de l'expérience ATLAS et inversement ! Cela a donc été particulièrement fascinant de vivre ce moment de partage des résultats et de voir la cohérence du signal.
Un autre moment très intense et inoubliable a été l'annonce du prix Nobel à Peter Higgs et à Francois Englert en 2013. J'ai eu la chance d'être présidente du département de physique de l'ULB à ce moment si particulier, nous avons donc fêté cela comme il se doit au sein de la faculté des Sciences et au sein de l'université. C'étaient des moments très émouvants. Il faut souligner que Francois Englert est une personnalité hors du commun : brillante, engagée (si pas rebelle) et attachante. Ce qui m'a aussi beaucoup frappé c'est comment l'ensemble de la population belge et pas seulement la communauté scientifique a été touchée par cette annonce et s'est sentie fière de ce tout premier prix Nobel de physique pour la Belgique. Il faut souligner l'effort fait par les journalistes et par la population pour essayer d'expliquer/de comprendre ce qu'est vraiment un boson scalaire... mission (presque) impossible si l'on a pas des notions de mécanique quantique et de relativité restreinte !
Que représentait cette découverte pour vous et votre équipe, ainsi que pour vos collègues théoriciens de l’ULB ?
C'est bien sûr une grande fierté pour les expérimentateurs belges de CMS. C'est le résultat de beaucoup d'années de travail pour l'ensemble des équipes belges impliquées dans cette expérience hors du commun. Nous faisons partie de l'expérience depuis ses débuts: nous avons même participé à la construction d'une partie du détecteur, une partie importante car elle détecte le passage des particules chargées, le trajectographe.
Du point de vue de nos collègues théoriciens, ce fut également un événement majeur. Il faut bien comprendre que Robert Brout et François Englert ont proposé le fameux mécanisme de brisure de symétrie et donc l'existence d'un boson scalaire - le fameux boson de BEH - en 1964 ! Leur article scientifique est paru en même temps (en fait un peu avant même) que celui de Peter Higgs. Il aura donc fallu attendre 48 ans avant de pouvoir découvrir cette fameuse particule !
Photo des articles originaux de 1964. © Professeur Jean-Marie Frère
Ce délai entre la prédiction et l'observation du boson BEH s'explique par le fait qu'il est massif et que son taux de production est faible, c'est un processus rare ! Cette particule est instable et nous devons pour la détecter analyser les produits de sa désintégration, qui peut se faire dans un série de canaux différents. C'est un peu comme essayer de reconstruire la forme d'un vase à partir de ses morceaux après que celui-ci soit cassé.
Pour nos équipes de l'ULB c'était un peu une boucle qui se concrétise : la prédiction et l'observation, à presque 50 ans d'écart.
En dix ans, comment cette découverte a-t-elle évolué ? Était-ce le début d’une nouvelle ère ou plutôt la réponse à une longue quête ?
C'est les deux ! C'est en effet la réponse à une longue quête qui conforte nos recherches depuis les années 60 et confirme notre compréhension du monde microscopique. Grâce à ce mécanisme introduit par Brout et Englert nous pouvons inclure les termes de masse dans notre modèle et donc expliquer la masse des particules élémentaires. Ceci était en effet fondamental: nous savons par exemple qu'un électron qui est une particule élémentaire possède une masse non nulle, mais restait à expliquer d'où elle provenait ! Depuis 10 ans maintenant, les expérimentateurs de CMS et d'ATLAS ont étudié cette particule BEH unique en son genre. Les expériences CMS et ATLAS reproduisent les interactions présentes aux premiers instants de l’Univers. Désormais, nous connaissons avec précision la masse du boson, ses modes de production, et ses modes de désintégration les plus fréquents. Plus d'une centaine d'articles scientifiques ont été publiés par CMS et ATLAS sur l'étude de ce boson scalaire.
Mais de manière un peu paradoxale cela nous place aussi devant une grande difficulté : notre modèle qui décrit si bien et précisément toutes les expériences actuelles, ne peut être complet. En effet, il ne peut expliquer ou décrire certaines observations comme par exemple quelle est la nature de la matière noire ? Pourquoi notre monde est composé de matière et non d'antimatière ? Pourquoi certaines particules fondamentales, comme les neutrinos, ont une masse très faible mais non nulle contrairement à ce que propose notre modèle. Ces questions sont fondamentales et nous n'avons pas de réponses aujourd'hui. Nous devons donc aller au-delà de notre compréhension actuelle, mener une nouvelle quête et nous pensons que le boson scalaire joue un rôle crucial dans celle-ci.
Quel est aujourd’hui votre sujet de recherche, la question qui vous passionne ?
Je travaille sur l'expérience CMS depuis déjà une vingtaine d'années. J'ai travaillé sur différents sujets mais toujours autour du thème de la recherche de nouvelle physique au-delà de notre modèle actuel. Pour le moment, je recherche d'autres particules scalaires (autre que le boson de BEH), des bosons scalaires "exotiques" en quelque sorte. En effet, rien n'impose que le boson de BEH découvert soit unique et la question est de savoir si ce boson est unique ou s'il y a d'autres bosons scalaires dans la nature. Cette information est cruciale pour aller de l'avant.
Et dans dix ans, à la célébration des 20 ans de cette découverte, qu'aurons-nous pu apprendre de plus ?
D'ici dix ans j'espère qu'on aura pu répondre à certaines de ces questions fondamentales. Les expériences CMS et ATLAS vont continuer de prendre des données entre 2022 et 2025 : c'est le troisième run du LHC qui commence ce 5 juillet !
Ensuite il y aura un arrêt technique et une mise à jour importante de la machine et des détecteurs : c'est la phase 2 du LHC, elle permettra d'accumuler au total 10 fois plus de données que dans la phase précédente. L'ensemble du trajectographe de CMS devra être remplacé, et de nouveau la Belgique apporte une contribution majeure dans la construction de cet instrument. La phase 2 du LHC permettra d'étudier les propriétés du boson de BEH beaucoup plus en finesse et peut-être de découvrir des signes de nouvelle physique.
Mais ce n'est pas qu'au CERN que cette quête a lieu, toute une série d'expériences que ce soit en physique des particules, en astrophysique ou en cosmologie essayent de mettre en évidence cette nouvelle physique, comme par exemple la recherche de la matière noire, la compréhension de l'asymétrie matière-antimatière, l'étude des neutrinos etc. Une nouvelle découverte est peut être donc imminente !

Et pourquoi pas un boson Tournesol ?

© Hergé - Moulinsart 2022
Aucun doute que le professeur préféré de Tintin, Tryphon Tournesol, aurait mérité d'avoir un boson à son nom ! Mais pourquoi donc ne parle-t-on pas de particules dans l'univers de Tintin ?
Le professeur Tournesol est en effet physicien nucléaire, et en 1947, il parvient même à envoyer Tintin et ses amis sur la Lune avec une fusée atomique. Mais à cet époque, bien que les premières particules élémentaires aient été découvertes, comme l'électron et le muon (une autre particule élémentaire plus lourde que l'électron), la théorique quantique en est à ses débuts ! Pas étonnant donc que le professeur n'ait pas sauté le pas de l'atomique au sub-atomique !

À vous de jouer !

Envie, vous aussi, de tenter de découvrir le boson BEH au CERN ? Téléchargez le jeu gratuit Higgsy qui vous permettra d'analyser comme les physiciens du CERN des événements du LHC !
Glossaire :
  • Particule élémentaire : composant insécable de la matière, brique fondamentale de notre univers
  • Boson BEH : particule élémentaire prédite par les physiciens Robert Brout, François Englert et Peter Higgs. Ce travail mené de façon indépendante a valu aux deux derniers le prix Nobel de physique en 2013 (Robert Brout étant malheureusement décédé avant).
  • LHC (Large Hadron Collider) : l'accélérateur de particules le plus puissant construit à ce jour, qui a permis notamment de mettre en évidence l'existence du boson BEH. Les protons accélérés entrent en collision les uns avec les autres à 4 endroits bien précis autour de l'accélérateur. Quatres grandes expériences sont installées en ces points pour observer les particules produites lors des collisions de protons: CMS et ATLAS, mais aussi LHCb et ALICE (lire plus).
  • CMS (Compact Muon Solenoid) : expérience située autour du LHC au CERN, Suisse lire plus.
  • ATLAS : expérience située également autour du LHC (lire plus). Les deux expériences travaillent de manière indépendante avec des fonctionnements légèrement différents afin de pouvoir apporter une validation des résultats.
À propos de l’auteur
Gwenhaël W. De Wasseige est professeure à l’UCLouvain en physique des astroparticules. Membre des collaborations IceCube et KM3NeT, elle mène la chasse aux neutrinos à la fois au Pôle Sud et en mer Méditerranée. Chaque mois, Gwenhaël nous racontera à travers sa chronique des infinis les dernières actualités qui touchent l’univers et le domaine de l’infiniment petit.
Gwenhaël W. De Wasseige
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