Événements enregistrés avec le détecteur CMS en 2012 à un centre de masse proton-proton d'énergie de 8 TeV.

Une illustration des événements enregistrés avec le détecteur CMS en 2012 montre les caractéristiques attendues d’une désintégration du boson de Higgs (lignes pointillées jaunes) en une paire de photons (tours vertes).Crédit : Thomas McCauley/Collaboration CMS

Il y a dix ans, le 4 juillet 2012, des scientifiques du monde entier célébraient la nouvelle capitale que des chercheurs avaient trouvé des preuves à l’appui de l’existence du boson de Higgs. Cette particule fondamentale, dont l’existence a été prédite à la suite de théories développées au milieu des années 19601,deux, a été découverte par des équipes travaillant sur les expériences ATLAS et CMS au Large Hadron Collider (LHC) du CERN, le laboratoire européen de physique des particules près de Genève en Suisse. Cette découverte a été un couronnement pour le LHC et pour les milliers d’ingénieurs, de chercheurs, de personnel de soutien et de techniciens qui ont contribué à en faire une réalité.

Et pourtant, alors que le LHC se prépare à entamer la troisième de ses cinq périodes d’exploitation prévues, certains pensent que cela pourrait être le dernier soupir pour la physique des particules, ou du moins la physique qui traite des collisions de particules à haute énergie. Vos raisons? Les chercheurs espéraient améliorer la description théorique actuelle des particules fondamentales et de leur interaction, le modèle standard de la physique des particules, considéré comme incomplet. Beaucoup sont déçus que le LHC n’ait pas encore trouvé d’indices de quelque chose en contradiction avec le modèle standard qui pourrait représenter une étape vers une théorie plus complète.

Le modèle standard est un ensemble de théories développées entre les années 1950 et 1970. Malgré sa précision phénoménale, il n’intègre pas la gravité ou la matière noire, et il n’explique pas l’abondance de matière sur l’antimatière dans l’Univers, ni certains aspects des neutrinos. .

champ de peur

Dans la recherche de réponses, les physiciens théoriciens émettent régulièrement l’hypothèse de l’existence de nouvelles particules, dont certaines devraient se situer dans les limites de détection des collisionneurs existants. Mais le LHC, le plus grand du monde, n’en a pas encore détecté. Certains craignent que le champ soit en difficulté si le LHC ne trouve pas les produits. Les critiques soutiennent qu’en l’absence d’indices clairs, il est déraisonnable de s’attendre à ce que les gouvernements trouvent potentiellement des milliards de dollars pour un autre collisionneur à grande échelle et effectuer une chasse à l’aveugle. Sans un autre collisionneur, le champ lui-même pourrait bientôt dépérir.

Ces inquiétudes sont légitimes, mais elles partent du principe que le seul but du LHC est de rechercher des particules. Détecter une nouvelle particule n’est en aucun cas un résultat trivial. Cependant, les collisionneurs de particules comme le LHC sont également essentiels pour approfondir notre compréhension du comportement des particules connues, en particulier du boson de Higgs lui-même. Le physicien Peter Higgs est l’un des plus grands noms de la science, mais les chercheurs en savent encore peu sur la particule qui porte son nom. Et, collision après collision, c’est le LHC qui continue de révéler de nouvelles informations sur le boson de Higgs.

En 2012, des chercheurs du CERN ont estimé la masse de la particule nouvellement détectée. Ils l’ont prudemment qualifié de candidat au boson de Higgs, mais ont compris que des tests supplémentaires seraient nécessaires pour établir avec certitude que le candidat correspondait aux prédictions du modèle standard.

Trente fois plus de données

Selon la théorie, les particules n’ont pas de masse ; plutôt, leurs masses résultent de leur interaction continue avec quelque chose appelé le champ de Higgs (ou le champ de Brout-Englert-Higgs) qui imprègne tout l’Univers. Le boson de Higgs est une onde dans ce domaine. La force des interactions de toute particule avec le champ de Higgs devrait être proportionnelle à sa masse, ce qui signifie que les particules plus lourdes, telles que le quark top, devraient interagir plus fortement que les particules plus légères.

Depuis 2012, le LHC a produit 30 fois plus de données sur les collisions de particules avec un boson de Higgs. S’appuyant sur ces données, les collaborations ATLAS et CMS rapportent cette semaine des résultats sur les interactions de Higgs avec les particules lourdes.3,4. Les résultats correspondent au schéma prédit par les théoriciens il y a plus de 50 ans.

Pour compléter le tableau, les chercheurs doivent également étudier les interactions entre le boson de Higgs et les particules les plus légères, celles qui, comme les électrons, constituent les éléments constitutifs de la matière quotidienne. Comme Giulia Zanderighi de l’Institut Max Planck de physique de Munich, en Allemagne, et ses collègues le commentent dans Outlook, le LHC devrait être en mesure de guider les scientifiques vers cet objectif, mais une nouvelle génération de collisionneurs sera probablement nécessaire pour faire le travail.5. La meilleure façon d’étudier ces interactions au LHC et la question de savoir quelles autres expériences pourraient être nécessaires sont des domaines de recherche actifs.

le processus compte

Cependant, les questions plus profondes sur le boson de Higgs restent sans réponse. Contrairement à toutes les autres particules connues, leurs interactions dans l’Univers ne se produisent par aucune des quatre forces connues : la force électromagnétique, les forces nucléaires fortes et faibles et la force gravitationnelle. C’est remarquable, et les physiciens espèrent que cette caractéristique unique permettra au boson de Higgs de faire la lumière sur certaines questions fondamentales. Par exemple, si le boson de Higgs interagit avec la matière noire ou d’autres particules inconnues, ces interactions pourraient laisser une trace observable dans le comportement du boson. Les physiciens théoriques et expérimentaux ont exploré ces questions bien avant la découverte de 2012, de sorte que la résolution est peut-être encore loin.

La physique des particules n’en est pas encore finie avec ce que le physicien et philosophe Thomas Kuhn a appelé la “science normale” dans son livre La structure des révolutions scientifiques (1962). La science normale de Kuhn décrit le travail des scientifiques qui théorisent, observent et expérimentent dans un cadre donné, tel que le modèle standard. Cela ne veut pas dire qu’il ne peut pas y avoir ce que Kuhn a appelé un “changement de paradigme”, par lequel un changement radical de perspective est nécessaire pour s’adapter à l’évolution des preuves. Mais comme Rolf-Dieter Heuer, qui était directeur général du CERN au moment de la découverte du Higgs, l’écrit dans physique de la natureLes données du LHC sont également nécessaires dans la recherche d’une physique au-delà du modèle standard6. Pour repérer toute anomalie, il faut avoir une bonne compréhension de ce qui est attendu.

À ceux qui craignent que la physique des particules approche de son dernier souffle, nous vous exhortons à laisser la science suivre son cours, à vous préparer aux surprises et à vous rappeler qu’il a fallu plus de quatre décennies pour qu’un aspect d’une théorie soit confirmé par l’expérience. . En science, le processus fait rarement la une des journaux, mais il est tout aussi important que le résultat.