« Le boson de Higgs pourrait fournir des indices sur la matière noire »

Le modèle standard de la physique des particules décrit les éléments constitutifs élémentaires de la matière que nous connaissons et les forces qui agissent entre ces particules élémentaires. Une particule joue un rôle très particulier : le boson de Higgs, qui donne leur masse aux autres particules élémentaires. Après avoir été prédit par trois physiciens en 1964, il a finalement été prouvé après de longues recherches en 2012 au centre de recherche du CERN à Genève. Kerstin Tackmann du centre de recherche DESY et de l’Université de Hambourg explique dans une interview avec World of Physics pourquoi de nombreux physiciens étudient encore aujourd’hui en détail la particule de Higgs.

Monde de la physique : qu’est-ce qui rend le boson de Higgs si spécial ?

Tackmann : Cela se distingue d’une certaine manière parce qu’il ne s’agit ni d’une particule de matière – comme les électrons ou les quarks – ni d’une particule dite de force, qui sont responsables des quatre forces physiques fondamentales. Toutes les particules du modèle standard de la physique des particules – à l’exception du boson de Higgs – sont soit des particules de matière, soit des particules de force. Cette dernière peut être utilisée pour décrire les forces qui prévalent entre les particules de matière. Ceux-ci incluent les photons, c’est-à-dire les particules lumineuses qui interviennent dans les interactions électromagnétiques. Dès les années 1960, les théoriciens François Englert, Peter Higgs et Robert Brout ont montré que la masse des particules de force peut s’expliquer s’il existe une autre particule dotée de propriétés particulières. Cette particule fut plus tard baptisée boson de Higgs en l’honneur de Peter Higgs.

Cependant, la particule de Higgs n’a été prouvée expérimentalement que près de 50 ans plus tard. Pourquoi la recherche a-t-elle été si difficile ?

En fait, il a fallu des décennies pour enfin identifier le boson de Higgs et le détecter avec la signification nécessaire dans les données. L’une des difficultés était qu’il n’était pas possible de déduire des calculs du modèle standard quelle devrait être la masse du boson de Higgs. Grâce aux expériences précédant le Grand collisionneur de hadrons du CERN à Genève, le Grand collisionneur électron-positon et l’accélérateur de particules Tevatron au Fermilab près de Chicago, il a été possible d’exclure certaines plages de masse. Les expériences ultérieures au Grand collisionneur de hadrons, le LHC, ont ensuite été optimisées pour couvrir complètement la plage de masse restante.

D’ailleurs, ce n’est qu’avec le LHC que suffisamment de données ont été collectées pour servir de preuve, n’est-ce pas ?

Exactement, parce que la vitesse à laquelle les bosons de Higgs sont produits est assez faible et qu’ils se désintègrent presque instantanément en d’autres particules. Vous ne pouvez donc le prouver qu’indirectement en recherchant certaines combinaisons de produits de désintégration. Aujourd’hui, dans les accélérateurs de particules comme le LHC, de nombreuses particules entrent en collision les unes avec les autres à des énergies extrêmement élevées, produisant un grand nombre de particules secondaires grâce à divers processus. C’est pourquoi vous avez besoin d’une quantité de données suffisamment importante. Et filtrer les quelques événements de cette masse de données qui permettent de détecter clairement les bosons de Higgs nécessite des années de travail et a longtemps occupé les physiciens des particules.

Comment fonctionne exactement la détection des produits de désintégration ?

Comme mentionné, les particules comme le boson de Higgs sont très instables et peuvent se désintégrer de diverses manières en particules plus légères. Nous parlons de ce qu’on appelle les canaux de désintégration. Le boson de Higgs est également assez lourd – environ 130 fois plus lourd qu’un proton. Et les particules dans lesquelles il se décompose peuvent également provenir d’autres processus. Cela rend sa recherche très difficile, car bon nombre de ces désintégrations peuvent difficilement être distinguées dans le détecteur d’autres événements de collision sans intérêt au cours desquels un grand nombre de particules sont également libérées. Nous recherchons donc des signatures bien spécifiques dans les grands détecteurs. Dans le passé, les désintégrations dans lesquelles le boson de Higgs libérait deux photons ou des paires d’autres particules de force étaient particulièrement prometteuses.

Particules élémentaires du modèle standard

Les résultats sur le boson de Higgs correspondent-ils aux prédictions du Modèle Standard ?

Jusqu’à présent, rien n’a été trouvé qui contredirait le modèle standard. Aujourd’hui, les physiciens des particules sont toujours à la recherche de quelque chose d’inconnu qui pourrait indiquer une nouvelle physique au-delà du modèle standard. La question de savoir ce qu’est la matière noire qui n’est pas expliquée par le modèle standard se pose depuis longtemps. Selon les mesures cosmologiques, cette forme invisible de matière dans l’univers a une masse nettement supérieure à la matière visible que nous connaissons.

Et le boson de Higgs est censé aider à la recherche de la matière noire ?

Le raisonnement est le suivant : la matière noire semble interagir seulement extrêmement faiblement, voire pas du tout, avec la matière normale, autrement que par sa gravité. Jusqu’à présent, la recherche de la matière noire n’a pas encore donné le moindre indice à ce sujet. Mais la matière noire a une masse. Il pourrait donc se coupler au boson de Higgs. En mesurant très précisément les propriétés du boson de Higgs et en particulier ses canaux de désintégration, ainsi que la recherche de désintégrations en particules de matière noire, il pourrait potentiellement être possible de trouver des preuves de la présence de matière noire.

Comment les désintégrations en matière noire deviendraient-elles visibles ?

Nous parlons de canaux de désintégration dits invisibles. Ces événements ressemblent à certains égards à d’autres processus dans lesquels les bosons de Higgs sont produits – sauf qu’une certaine quantité d’énergie manque dans le total. Cette énergie aurait pu être emportée par la matière noire.

Qu’aimeriez-vous découvrir d’autre sur le boson de Higgs ?

Premièrement, nous voulons comprendre si le boson de Higgs interagit avec les autres particules comme le prédit le modèle standard. Pour ce faire, nous mesurons autant de canaux de production et de désintégration que possible. Cela nous aide également à mesurer sa cinématique, comme l’impulsion avec laquelle il se déplace après sa génération. Les distributions angulaires de ses désintégrations contiennent également des informations que nous évaluons. Un autre point est la question de savoir si deux bosons de Higgs peuvent être générés en même temps. Selon le modèle standard, cela devrait se produire environ 1 000 fois moins souvent que la création d’un seul boson de Higgs. Ce sera un sujet passionnant pour l’expansion future du LHC et d’autres futurs accélérateurs. Et enfin, se pose la grande question de savoir s’il existe réellement un seul boson de Higgs ou s’il pourrait y avoir des particules sœurs.

De quel genre de particules s’agirait-il ?

Selon l’une des extensions courantes du modèle standard – ce qu’on appelle la supersymétrie – il devrait y avoir un total de quatre particules sœurs du boson de Higgs. Certains d’entre eux auraient des propriétés similaires à celles du boson de Higgs déjà prouvé. Mais ils devraient différer de lui par certaines caractéristiques. Par exemple, deux de ces frères et sœurs de Higgs devraient porter une charge électrique, alors que le boson de Higgs normal est électriquement neutre. Donc, si nous devions un jour trouver des traces d’une particule de type Higgs dans le détecteur qui a une charge électrique, ce serait une indication extrêmement excitante d’une particule sœur du Higgs jusqu’alors inconnue, peut-être supersymétrique.

Les gens recherchent de telles particules depuis des années. Comment la vérification pourrait-elle fonctionner à l’avenir ?

Bien entendu, ces dernières années, nous avons considérablement restreint les plages de paramètres des extensions au modèle standard. De telles théories alternatives conduisent à des écarts par rapport aux prédictions du modèle standard pour certains paramètres, tels que la fréquence de certains canaux de désintégration. Le modèle standard peut être testé en analysant divers paramètres, même si jusqu’à présent il a toujours été confirmé et les théories alternatives ont été laissées de côté. Cependant, il existe certainement des plages de paramètres qui n’ont pas encore été étudiées expérimentalement. Par exemple, les signatures avec des états finaux complexes, comme les nouvelles particules à vie longue, sont actuellement très intéressantes.

Quelles options les chercheurs souhaitent-ils utiliser à l’avenir ?

Essentiellement, deux développements stratégiques majeurs nous attendent. Il a été décidé de moderniser le LHC pour lui donner une luminosité nettement plus élevée, ce qu’on appelle le « LHC à haute luminosité ». L’énergie finale des protons dans l’anneau de stockage n’est plus fortement augmentée. Il existe des limites physiques, telles que la force des champs magnétiques dans l’anneau de stockage existant, qui ne peuvent pas être exploitées beaucoup plus. Mais nous allons augmenter considérablement le nombre total de collisions – ce que l’on appelle la luminosité intégrée – d’environ dix fois. Cela signifie également que les détecteurs et leur électronique doivent devenir beaucoup plus rapides et plus résistants aux radiations. Le LHC à haute luminosité produira alors environ 15 millions de bosons de Higgs par an. À partir de 2029, cette expansion établira des normes pour les décennies à venir. Cela nous permet non seulement d’étudier le boson de Higgs plus en détail, mais nous souhaitons également continuer à aborder toutes sortes d’autres questions liées à la physique des particules.

Et existe-t-il des idées et des projets alternatifs ?

Une usine dite de Higgs fait également actuellement l’objet de vifs débats. Un système qui projette des électrons et des positrons les uns sur les autres serait particulièrement adapté à cela. Cela devrait se produire à une énergie qui promet un taux de production particulièrement élevé de bosons de Higgs – à différentes énergies afin de pouvoir mesurer avec précision autant de processus que possible. Pour cela, une énergie nettement inférieure à celle du LHC est suffisante. À l’heure actuelle, les experts du monde entier se demandent s’il serait préférable de concevoir un tel système sous la forme d’un accélérateur en anneau ou d’un accélérateur linéaire. Outre le CERN en Suisse, les sites possibles pourraient également inclure des centres de recherche en Chine ou au Japon. Avec une telle usine à Higgs, tout comme avec le LHC à haute luminosité, tant de bosons de Higgs seraient générés que les questions sur les rares canaux de production et de désintégration du boson de Higgs pourraient également être étudiées. Cela permet de tester en détail le modèle standard. Et qui sait : peut-être résoudrons-nous le mystère de la matière noire !