Lorsque le boson de Higgs a été expérimentalement mesuré pour la première fois en 2012 par le LHC du CERN après plus de 30 ans de travaux acharnés, tout un pan de la communauté scientifique s’attendait à ce que cette découverte fasse passer la physique des particules dans une nouvelle ère. Mais une étude récente rappelle que les physiciens vont devoir faire preuve de patience avant d’en arriver là.
Cette grande aventure a commencé en 1964 avec Peter Higgs, le chercheur qui a donné son nom à cet objet. À l’époque, il cherchait à percer les mystères de l’interaction forte, une des quatre forces fondamentales de la nature — celle qui donne leur cohésion aux noyaux des atomes. D’après les modèles de l’époque, les particules qui incarnent cette force, les bosons, devraient être totalement dénuées de masse. Or, cette idée était en apparence incohérente avec les lois de la physique quantique, formalisées dans ce qu’on appelle aujourd’hui le modèle standard de la physique des particules (le cadre théorique qui décrit le comportement de la matière à la plus petite des échelles).
Pour réconcilier le concept avec la théorie, Higgs a proposé que l’Univers était parcouru par un champ d’énergie invisible, capable d’imposer une sorte de résistance aux particules qui le traversent – un peu comme un liquide visqueux qui freinerait la progression d’un nageur. C’est cette interaction qui donnerait leur masse à toutes les particules de l’univers. Dans la foulée, il a suggéré que des fractions de ce champ pourraient se matérialiser sous la forme d’un nouvel objet qui permet aux autres particules d’interagir avec ce champ pour obtenir cette masse : le désormais célèbre boson de Higgs.
L’idée, particulièrement exotique à l’époque, a d’abord été rejetée. Mais la situation a commencé à changer en 1967 avec les travaux de Steven Weinberg sur l’interaction électrofaible, qui ont permis d’appréhender la physique des particules sous un tout nouvel angle. Dans ce nouveau cadre, le boson de Higgs a trouvé un nouveau souffle, et de nombreux chercheurs se sont lancés à la poursuite de cet objet susceptible de révolutionner la physique fondamentale. Il a fallu attendre plusieurs décennies supplémentaires pour que le CERN réussisse enfin à le mesurer grâce à l’accélérateur de particules le plus puissant du monde.
La clé potentielle d’une « nouvelle physique »
Cette découverte a fait l’effet d’un coup de tonnerre, et pour cause : le boson de Higgs était le dernier objet prévu par le modèle standard dont l’existence n’avait pas encore été confirmée expérimentalement. De très nombreux académiciens étaient donc convaincus qu’il s’agissait d’une pièce centrale du grand puzzle de l’univers, et que sa découverte allait profondément transformer notre compréhension du monde qui nous entoure. C’est à cause de ce statut à part que le boson le Higgs est parfois surnommé « particule de Dieu », même si ce terme n’est généralement pas très apprécié des spécialistes.
Ni une ni deux, les physiciens se sont donc lancés dans une quête de longue haleine pour mieux comprendre le rôle de cette particule. Depuis maintenant douze ans, ils cherchent à décrire ses propriétés le plus précisément possible, en espérant mettre la main sur un phénomène révolutionnaire qui pourrait effectivement bouleverser toute la discipline. Mais force est de constater que les résultats ont été plutôt mitigés à ce niveau. Jusqu’à présent, l’analyse du boson n’a pas révélé le moindre élément susceptible d’ouvrir la porte d’une « nouvelle physique ».
Mais les chercheurs ne perdent pas espoir ; il est tout à fait possible que la clé tant attendue réside quand même dans le boson de Higgs. Tout l’enjeu, c’est de trouver un phénomène incompatible avec le modèle standard, une faille dans laquelle les chercheurs pourront s’infiltrer pour briser le statu quo.
Une particule difficile à dompter
Le souci, c’est que c’est beaucoup plus facile à dire qu’à faire. Cette particule est notoirement très difficile à analyser, pour des raisons à la fois expérimentales et informatiques. Pour produire ce fameux boson afin de l’étudier, les opérateurs du LHC envoient des particules se percuter à une vitesse prodigieuse au sein d’un gigantesque tube de plusieurs kilomètres. Ces impacts produisent alors une cascade de sous-particules dont la répartition et la trajectoire sont analysées à l’aide d’outils mathématiques extrêmement sophistiqués — et c’est là que les chercheurs sont confrontés à un sérieux problème.
En effet, la complexité de ces analyses est telle que les physiciens s’autorisent généralement quelques raccourcis dans le traitement de certains paramètres. Il y en a certains dont l’influence est jugée négligeable, comme l’influence de certaines particules à la masse infinitésimale. Les physiciens choisissent donc de les ignorer et de compenser avec des valeurs prédéfinies qui simplifient grandement les calculs.
Cette approche a permis d’éviter la stagnation totale, mais elle n’est pas sans conséquence. Tout le monde est bien conscient que ces approximations pourraient nous faire passer à côté de phénomènes certes subtils et discrets, mais néanmoins indispensables pour comprendre les propriétés du boson dans sa globalité, avec tout ce que cela implique pour le modèle standard.
Une analyse sans concession
Les auteurs de cette nouvelle étude ont décidé qu’il était grand temps de conduire une étude exhaustive en limitant ces raccourcis au strict minimum pour trouver des signes de cette « nouvelle physique ». « L’essence de notre travail, c’était notre volonté de prendre en compte certaines corrections qui sont généralement négligées à cause de leur contribution apparemment très faible », résume Michal Czakon, co-auteur du papier.
Au terme de ce travail de longue haleine, Czakon et ses collègues ont constaté que certains paramètres généralement négligés pouvaient en fait avoir une influence significative sur le résultat final de l’analyse. Mais le soufflé n’a pas tardé à retomber, car l’équipe est aussi arrivée à une conclusion beaucoup moins excitante : au bout du compte, les résultats de leur analyse restaient extrêmement proches de ceux que les autres équipes ont obtenus en faisant abstraction de toutes ces corrections outrageusement complexes.
« Les valeurs trouvées par notre groupe et mesurées lors de précédentes collisions de faisceaux au LHC sont pratiquement les mêmes, compte tenu naturellement des imprécisions actuelles de calcul et de mesure », explique le co-auteur René Poncelet.
Le modèle standard tient bon
En d’autres termes, même en analysant le comportement du boson avec une rigueur inédite, on ne voit toujours pas émerger de phénomène inattendu. Aucun élément de ces analyses ne pointe vers une faille dans le modèle standard, ce qui serait indispensable pour ouvrir la voie à un grand bouleversement de la physique moderne. « Il semble qu’aucun signe avant-coureur d’une nouvelle physique ne soit visible dans les mécanismes responsables de la formation des bosons de Higgs que nous étudions, du moins pour le moment », indique Poncelet.
Retour à la case départ, donc ? Pas nécessairement. C’est loin d’être la première fois que le modèle standard se montre inébranlable face aux assauts des physiciens. Ce n’est pas un hasard s’il sert de base à une grande partie de la physique moderne ; il décrit extrêmement bien les phénomènes que l’on observe dans notre monde.
Mais ce constat vaut aussi pour la relativité d’Einstein — et il se trouve justement que les deux modèles sont entièrement irréconciliables à certains niveaux. La gravité, par exemple, est un point de friction majeur. Elle est très bien décrite par la relativité générale, mais il n’existe rien dans le modèle standard qui permettrait de l’expliquer. Et ce n’est qu’un exemple isolé parmi d’autres. Par conséquent, il y a donc forcément quelque chose qui cloche dans notre description actuelle de l’univers.
C’est précisément pour cela que les physiciens testent constamment les limites de ces modèles à travers des entités comme le boson de Higgs. Puisque ce dernier est encore relativement mal connu, les chercheurs sont encore loin d’avoir épuisé toutes les pistes potentielles. En résumé, il reste un sujet d’étude prometteur ; même s’il n’y a aucune garantie qu’une « nouvelle physique » existe bel et bien ou que le boson de Higgs en soit l’incarnation, il est encore beaucoup trop tôt pour jeter l’éponge.
Il conviendra donc de suivre attentivement les travaux du CERN avec le LHC. L’accélérateur est en ce moment au cœur de sa quatrième campagne scientifique, et des données précieuses vont donc continuer à tomber sur les prochaines années. Avec un peu de chance, elles mettront en évidence les failles du modèle standard que les physiciens traquent depuis des décennies.
Le texte de l’étude est disponible ici.
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Pas évident. Il y a tellement de choses qui dépassent la physique actuelle et d’autres qui ne cadrent pas du tout avec elle et ne sauraient lui être soumis. Mais c’est néanmoins celle qu’on a trouvé pour expliquer énormément de choses et les rendre perceptibles et quantifiables pour nous.
Just wait and see.