Mise à jour le 8 Février 2013
 
CONFÉRENCE
«LE BOSON DE HIGGS ET LA DÉCOUVERTE
D’UNE NOUVELLE PARTICULE AU LHC DU CERN»
Par Bruno MANSOULIÉ   Ingénieur au Service des Particules du CEA
Organisée par l'IAP
98 bis Bd Arago, Paris 14ème
 
Le mardi 5 Février 2013 à 19H30
 
Photos : JPM. pour l'ambiance (les photos avec plus de résolution peuvent m'être demandées directement)
Les photos des slides sont de la présentation de l'auteur.  Voir les crédits des autres photos
Vidéo de la conférence par le CERIMES disponible sur leur site quelques jours après (le CERIMES propose aussi toutes les vidéos des conférences IAP) :      voir : http://www.cerimes.fr/le-catalogue/institut-dastrophysique-de-paris-iap.html
 
 
 
BREF COMPTE RENDU
 
 
 
 
 
Bruno Mansoulié est Polytechnicien et ingénieur au Service de Physique des Particules (SPP) du CEA Saclay.
 
Le SPP fait partie intégrante de l’IRFU : l’Institut de Recherche Fondamentale des Lois de l’Univers.
 
B. Mansoulié a été physicien au CERN dans les années 1980 où il participe à la découverte des bosons W et Z ; puis émigre aux USA au Fermilab pour assister à la découverte du quark top.
 
Il revient en France à l’IRFU et est un des initiateurs de l’expérience Atlas , une des plus importantes implantée dans le LHC.
 
 
 
 
 
 
 
LE MODÈLE STANDARD ET LE BOSON DE HIGGS.
 
En très bref :
 
La matière est composée de particules (quarks, électrons etc..) et d’interactions (gravitation, électromagnétisme, forces forte et force faible).
Ceci constitue ce que l’on appelle le MODÈLE STANDARD DE LA PHYSIQUE.
 
Ce modèle fonctionne bien, mais malgré tout, on se pose des questions fondamentales :
 
·        Ces particules existent-elles vraiment ?
·        D’où vient leur masse ?
·        Y-a-t-il un principe unificateur ?
 
Ces lois seraient valides très peu de temps après le Big Bang.
 
Dans les années 1960 on a identifié des lois de symétrie entre interactions, mais la théorie indique que ces symétries ne peuvent être réalisées que si les particules sont sans masse !  or notre Univers est bien différent ! Alors ???
 
Il faut trouver l’origine des masses !
 
C’est là que Mr Higgs et ses collègues Brout et Englert interviennent.
 
Ces trois personnages ont publié 2 articles indépendants (l’un de Peter Higgs l’autre de P. Englert et R. Brout) en 1964
 
Ces deux articles décrivent le mécanisme qui confère la masse aux particules, mais l’article de Higgs semble le plus complet et décrit la particule elle même (celle qui va devenir le fameux boson de Higgs).
 
Cette théorie élégante, dit tout …..sauf la masse que devrait avoir ce fameux boson.
 
Mais elle valide le concept du modèle standard.
 
Une anecdote de B. Mansoulié : Un ministre anglais auquel on demandait de mettre la main à la poche pour poursuivre les expériences répondit qu’il ne pouvait subventionner quelque chose qu’il ne comprenait pas.  Il ne paierait pas si on ne lui fournissait pas une explication simple. Ce fut fait par un dessinateur et professeur anglais (David Miller) avec les cartoons suivants :
 
 
 
 
Métaphore du cocktail d’une assemblée de physiciens par exemple.
 
Une personnalité (ici Einstein) entre dans la salle, le public (analogue à des bosons de Higgs) s’agglutine autour de lui, lui conférant ainsi une difficulté à se déplacer (analogie : une masse).
Quelqu’un lance maintenant une rumeur dans la même pièce.
 
Les physiciens de la salle se rassemblent en un paquet alors même qu’il n’y a pas de particule initiale. il s’agit de dire que le vide peut « s’auto condenser » , le boson de Higgs lui-même est donc cette nouvelle particule qui est donc une sorte de « condensat de vide ». La rumeur acquiert elle-même une masse, la masse du boson de Higgs.
 
 
Bien entendu tout ceci n’est qu’une image, mais cette image-là a le mérite de refléter 2 caractéristiques essentielles du boson de Higgs :
·        Il a les mêmes nombres quantiques que le vide : charge= 0, spin=  0, parité +
·        Il est « autocouplé », c’est-à-dire qu’il peut interagir avec lui-même sans l’intermédiaire d’une particule médiatrice.
 
 
Le boson de Higgs et l’évolution de l’Univers.
 
Si on part du Big Bang, il y a 13,7 Milliards d’années, on peut essayer de décrire l’évolution de l’Univers en ce qui concerne le Higgs.
 
·        Pour t un peu avant 10-12 sec, l’Univers qui se refroidit est quand même très chaud (1016K), les particules élémentaires actuelles sont sans masse !!
·        Pour t = 10-12 sec, le mécanisme de Higgs entre en action (analogie : condensation de la vapeur d’eau) ; le vide acquiert une certaine « tension interne ».
·        Pour t > 10-12 sec, les particules ont une masse, elles ne vont plus à la vitesse de la lumière, sauf la lumière elle-même…
·        En 2012 les physiciens du LHC montrent l’existence de ce boson !
 
 
L’AVENTURE EXPÉRIMENTALE AU CERN.
 
Au XXème siècle on construit des accélérateurs de particules qui doivent nous permettre de sonder la matière.
 
 
À Genève au CERN, cela a été le fruit d’une longue et constante évolution d’accélérateurs :
 
·        Le PS (Proton Synchrotron) de 28 GeV suivi du
·        LEP (Large Electron Positron Collider) de 2 x 100 GeV suivi du
·        LHC (Large Hadron Collider) de 2 x 7 TeV !
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
LE COLLISIONNEUR LHC.
 
 
 
Le LHC est un collisionneur proto-proton construit dans le tunnel du LEP (27km de circonférence à 100m sous terre) ; il doit pouvoir faire collisionner deux faisceaux de chacun 7 TeV (1TeV = 1000 Gev) avec une intensité de 40 millions de collisions/ sec (la luminosité).
 
 
Les premières réunions datent de 1984, l’accord des partenaires 10 ans plus tard, en 1998 les premiers travaux, pour une mise en service en 2008 (avec les quelques petits ennuis que l’on sait).
 
 
 
 
 
Nous avons déjà parlé de nombreuses fois du LHC dans ces colonnes (voir les références plus bas).
Il emploie plus de 2000 physiciens de 150 instituts différents.
 
 
 
Les plus grandes expériences sont Atlas et CMS, qui emploient des technologies volontairement différentes, afin de réduire les erreurs systématiques.
 
Ce sont des détecteurs de très grandes dimensions, très rapides (10 à 100ns) et bien entendu résistants aux rayonnements.
 
 
 
Il faut même noter le flux d’informations énorme qui résulte des 4 expériences montées sur cet anneau.
 
La plupart des résultats de collisions ne sont pas intéressants, en fait il n’y en a que 300 par sec d’intéressants  (sur 20 millions de paquets de protons par sec).
 
Il faut ensuite reconstituer chaque collision afin de rechercher le Higgs, grâce à de nouveaux logiciels.
 
Mais où chercher le Higgs : voir la slide de gauche.
 
 
 
 
 
LES RÉSULTATS.
 
 
Pour observer cette particule, il faut qu’elle se distingue du bruit de fond, le pire ennemi des mesures physiques.
Le jeu consiste donc à améliorer le rapport signal/bruit.
 
 
C’est ce qui s’est produit de façon excellente en 2011 et 2012 au LHC !
 
Le Higgs se cache dans le résultat de plusieurs types de collisions pour lesquelles il peut donner :
·        2 photons soit
·        4 leptons (e- et mu)
·        2 leptons (e/mu) et 2 neutrinos
·        2 quarks b (inobservable)
 
voici ces configurations.
 
 
 
 
 
 
 
 
Et si on ajoute tous les modes qui combinent tous les résultats.
 
Cela donne ce qui a été annoncé ce 4 Juillet 2012, un boson de masse approx 126 GeV.
 
Les dernières données (dec 2012) indiquant les valeurs suivantes :
 
Atlas : 125,2  +/- 0,3 (stat) +/- 0,4 (syst) GeV
CMS : 125,8  +/- 0,4 (stat) +/- 0,4 (syst) GeV
 
(Ce sont des mesures à 7 sigma!)
 
 
 
Ces résultats confirment le mécanisme de Higgs et le boson lui-même, et du coup le modèle actuel de la physique des particules.
 
La valeur de la masse trouvée (aux alentours de 125GeV) est compatible avec le modèle.
 
Elle est tout juste permise par la théorie de la super symétrie.
 
Elle est aussi tout juste admise pour avoir un Univers stable. (coïncidence ??)
 
Cette découverte est l’aboutissement d’un long effort international, collaboratif et continu.
 
 
 
La suite.
 
Le LHC est fermé en 2013 et 2014 pour maintenance et pour augmenter l’énergie à 7 TeV.
 
Redémarrage en 2015 à : 6,5 TeV + 6,5 TeV avec augmentation progressive du nombre de collisions.
 
Une phase exploratoire, au delà du Higgs devrait avoir lieu : plusieurs bosons de Higgs ???, super symétrie ??
 
Bref encore de passionnantes recherches, je suis sûr que Mr Mansoulié nous en parlera dans quelque temps.
 
 
 
 
 
 
POUR ALLER PLUS LOIN :
 
Le modèle standard de la physique par l’IN2P3.
 
Le commentaire originale (anglais) de David Miller sur ses cartoons du boson de Higgs.
 
Le boson de Higgs? Attends, je te fais un schéma
 
Dans le coeur de l'accélérateur de particules  podcast de B Mansouliè sur le LHC.
 
 
Sur ce site :
 
Le LHC et les 2 infinis : CR de la conférence SAF de M Spiro du 14 Avril 2010
 
Visite Obs Genève et CERN LHC : CR du voyage SAF des 14 et 15 dec 2010
 
La longue traque du boson de Higgs : CR de la conf. SAF  de G C.-Tannoudji du 5 Mai 2012
 
Le Boson de Higgs : Enfin sa découverte est annoncée
 
LHC, le boson de Higgs et après ? : CR conf M Spiro RCE2012 du 2 nov 2012
 
Le LHC, chasseur de Higgs : CR de la conf. De Y Sirois aux RCE 2010 le 12 nov 2010
 
 
 
Bon ciel à tous !
 
 
Jean Pierre Martin .Commission de Cosmologie de la SAF.
www.planetastronomy.com
Abonnez-vous gratuitement aux astronews du site en envoyant votre nom et e-mail.