Paris, 10 juin 2004

Déterminer la masse du quark top pour approcher le boson de Higgs

Le boson de Higgs, pierre angulaire de la théorie du « modèle standard » de la physique des particules, établie il y a 20 ans, n'a encore jamais été observé. Il est activement recherché par la collaboration internationale D0 qui rassemble près de 600 physiciens de 19 pays, dont la France avec la participation de laboratoires de l'Institut national de physique nucléaire et de physique des particules du CNRS (IN2P3) et du département d'astrophysique, de physique des particules, de physique nucléaire et de l'instrumentation associée du CEA (Dapnia) (1). Dans le cadre de cette recherche, les scientifiques viennent ainsi d'effectuer une nouvelle détermination de la masse du quark top, qu'ils présentent dans la revue Nature du 10 juin 2004, avec une précision améliorée de 60 % par rapport aux mesures précédentes. Cette valeur leur a permis d'estimer la valeur la plus probable de la masse du boson de Higgs et d'augmenter ainsi leur chance de le débusquer.
Le Modèle Standard est un cadre théorique qui décrit, avec succès, l'univers comme étant constitué de particules élémentaires de matière, les fermions, interagissant par l'échange de particules dénommées « messagers ». Les fermions, que les physiciens caractérisent d'un « spin 1/2 », sont : 3 leptons chargés (du plus léger au plus lourd : électron, muon, tau), 3 leptons neutres (neutrinos associés aux leptons chargés) et 6 quarks (du plus léger au plus lourd : up, down, strange, charm, bottom et top). Les particules « messagers » sont des particules de spin 1, appelées bosons de jauge. Les gluons, par exemple, sont les messagers de l'interaction forte, ressentie par les quarks et qui assure la cohésion des noyaux des atomes.
Toutes les particules de matière et tous les bosons de jauge ont été observés directement ou indirectement. Le dernier à l'avoir été est le quark top : en mars 1995, grâce au Tevatron situé au Fermi National Accelerator Laboratory (près de Chicago, États-Unis), l'accélérateur de particules le plus puissant au monde et le seul capable de produire des quarks top, les scientifiques de deux grandes collaborations internationales, CDF et D0 (2), annonçaient sa découverte et estimaient sa masse à 175 GeV/c2 (3), soit autant que celle de 190 protons ou que celle d'un noyau d'atome d'or !
 
En plus des particules de matière et des bosons de jauge, le Modèle Standard prévoit l'existence d'une autre particule, le boson de Higgs, de « spin 0 », qui n'a encore jamais été observé mais dont le rôle est fondamental. En effet, le champ qui lui est associé, et qui serait présent partout dans l'Univers, fournit un mécanisme permettant d'expliquer comment les particules de matière acquièrent leur masse. Cependant, le Modèle Standard, est incapable de prédire la valeur du boson de Higgs, dont une estimation serait très utile pour pouvoir le rechercher efficacement et vérifier la consistance de la théorie en cas d'observation.
 
 
La collaboration D0 a donc repris les données disponibles, contenues dans les événements enregistrés lors de sa première campagne (1992-1996), afin de les analyser à l'aide une nouvelle méthode utilisant davantage d'information du processus physique de la production et de la désintégration du quark top. Les scientifiques ont ainsi réussi à augmenter d'environ 60 % la précision sur la mesure de la masse de ce dernier. Cette nouvelle valeur de la masse du quark top, 179 GeV/c2, associée à d'autres résultats de mesures de précision, a permis d'estimer la valeur la plus probable de la masse du boson de Higgs à 123 GeV/c2, une valeur cohérente avec celle de 114 GeV/c2, déterminée auparavant comme limite inférieure de cette masse.
 
 
C'est en 1998 que les physiciens de l'IN2P3 (CNRS) ont rejoint la collaboration D0, à laquelle participaient déjà ceux du Dapnia (CEA) depuis 1983, à la fois pour améliorer les capacités du détecteur de la deuxième série d'expériences qui a commencé en avril 2001 et pour analyser les nouvelles données. Dans le même temps, ils ont également participé à l'analyse des données de la campagne précédente dont les résultats sont présentés ici.
Si le boson de Higgs n'était pas découvert au Tevatron, il devrait l'être auprès du Large Hadron Collider (LHC), le Grand collisionneur de hadrons en cours de construction au CERN (près de Genève, Suisse), qui démarrera en 2007 et surpassera en puissance le Tevatron d'un facteur 7.
 

Notes :
(1) La «collaboration D0 » comprend sept équipes de l'IN2P3 du CNRS :
- le Centre de physique des particules de Marseille (CPPM) (CNRS et Université de la Méditerranée) ;
- l'Institut de physique nucléaire de Lyon (IPNL) (CNRS et Université Claude Bernard) ;
- l'Institut de recherches subatomiques (IReS) à Strasbourg (CNRS et Université Louis Pasteur) ;
- le Laboratoire de l'accélérateur linéaire (LAL) à Orsay (CNRS et Université Paris Sud) ;
- le Laboratoire de physique nucléaire et de hautes énergies (LPNHE) (CNRS et universités de Paris 6 et 7) ;
- le Laboratoire de physique corpusculaire de Clermont-Ferrand (CNRS et Université Blaise Pascal) ;
- le Laboratoire de physique subatomique et de cosmologie (LPSC) à Grenoble (CNRS, Université Joseph Fourier de Grenoble et Institut national polytechnique de Grenoble)
ainsi qu'une équipe du CEA/DAPNIA.

(2) CDF est l'abréviation du Collider Detector at Fermilab
L'appellation « D0 » provient de la position du détecteur qui se situe à l'intersection "D" des faisceaux de protons et antiprotons dans le collisionneur Tevatron.

(3) 1 GeV ou 1 Giga Electron Volt = 109 Electron Volt = 1 milliard d'Electron Volt ;
Electron Volt : unité d'énergie nécessaire à un électron pour franchir la différence de potentiel d'un Volt ;
c : vitesse de la lumière ; c2 : carré de la vitesse de la lumière ; c = 3 x 108 m/s ;
1 GeV/c2 = 1,78 x 10-7 kg. La masse du quark top est donc de 0,000 000 000 000 000 000 000 000 320 kg !

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Le boson de Higgs : une clé fondamentale de l'univers ? - 26/05/2005

SommaireLe boson de Higgs : une clé fondamentale de l'univers ?La théorie des électronsLa théorie des forces nucléairesL'après-guerre : théorie de Yang-Mills et physique des particules élémentairesLe modèle standard : la théorie électrofaibleLes théories de grande unification : SU(5) et la supersymétrieLes perspectives futures : expériences et théoriesRemerciements et liens pour en savoir plus suivant
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Le boson de Higgs est une particule prédite par le fameux « modèle standard » de la physique des particules élémentaires. Elle constitue en quelque sorte le chaînon manquant et la pierre d'achoppement de ce modèle. En effet, cette particule est supposée expliquer l'origine de la masse de toutes les particules de l'univers (y compris elle-même !), mais en dépit de ce rôle fondamental, elle reste encore à découvrir puisqu'aucune expérience ne l'a pour l'instant observée de façon indiscutable.
Il peut être utile, avant de continuer, de prendre connaissance de l'excellent dossier de David Calvet Voyage au cœur de la Matière. Que ce soit pour rafraîchir sa mémoire ou simplement comme introduction à ce dossier. 
 

Peter Higgs devant les équations décrivant sa théorie de la brisure de symétrie donnant une masse à des bosons de jauge. © Peter Tuffy-The University of Edinburgh
Un dernier point, le texte qui va suivre est une tentative de compromis entre deux niveaux de lecture.
Les lecteurs de Futura-Sciences sont assez hétérogènes, on y trouve de simples curieux de sciences jusqu'à des personnes ayant un bagage scientifique poussé (pas nécessairement en physique). C'est donc un problème redoutable que d'essayer de satisfaire les uns et les autres. Certaines parties seront par conséquent difficiles à comprendre pour le néophyte et d'autres trop simples pour un étudiant en physique.
Le fil conducteur du texte est l'évolution des idées en physique concernant la description des masses des particules, et ce en liaison avec les différentes forces dans l'univers.
Selon les besoins du lecteur, beaucoup d'illustrations ou d'informations (schémas, équations, données historiques/expérimentales) qu'il (elle) trouvera nécessaires pour mieux comprendre ou satisfaire plus avant sa curiosité se trouvent dans les liens en dernière page. On s'est efforcé de renvoyer vers ces références précises tout au long de ce dossier.
En espérant ainsi permettre une grande flexibilité de lecture prenant appui sur les grandes lignes et perspectives indiquées dans le texte.

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04/07/2012

Découverte d'une nouvelle particule :
est-ce le boson de Higgs ?

Les résultats préliminaires obtenus par les expériences Atlas et CMS du Grand Collisionneur de Hadrons (LHC) dans le cadre de la recherche du boson de Higgs indiquent l'existence d'une nouvelle particule dans la région de masse autour de 126 GeV. Il s'agit d'un boson dont les caractéristiques sont compatibles avec celles du célèbre boson de Higgs. Bien que des analyses complémentaires soient nécessaires pour en établir la nature exacte, cette découverte représente une étape cruciale dans la compréhension de l'univers et de la matière.

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LE  SPIN :c'est  le  moment  angulaire ( ou cinétique ) des  particules  quantiques.

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Un nouveau  boson au CERN: le  Higgs, peut-être...

Par Laurent Sacco, Futura-Sciences Share on joliprintPDF  Partager C’est un boson, le plus lourd jamais découvert dans un accélérateur de particules et on observe les conséquences de son existence dans les deux détecteurs géants du LHC. Voici l'annonce du Cern, tant attendue. Avec une masse d’environ 126 GeV, il s’agit très probablement du boson de Higgs supposé être à l’origine des masses des particules élémentaires. Mais il reste du travail pour déterminer s’il possède bien les propriétés du boson de Higgs ou s’il s’agit d’une particule radicalement nouvelle.
Parcourez notre dossier complet sur le boson de Higgs
Tout le monde attendait la conférence de ce matin du 4 juillet 2012 au Cern, annonçant les derniers résultats de la chasse au boson de Higgs. Avait-on enfin découvert la mythique particule censée expliquer l’origine des masses des quarks et des leptons du modèle standard et plus précisément celles des particules médiatrices des forces du modèles électrofaibles ? Les rumeurs de la découverte de ce boson allaient bon train mais la seule chose certaine était que quatre des six physiciens ayant introduit le mécanisme dit de Brout-Englert-Higgs en 1964 seraient bien présents pour écouter ce que les deux porte-paroles des expériences phares du LHC allaient dire.
C’est Joe Incandela qui a pris la parole le premier, au nom de la collaboration CMS, puis ce fut le tour de Fabiola Gianotti pour Atlas. Dans les deux cas l’émotion a saisi l’assemblée ainsi bien sûr que tous les physiciens suivant le séminaire sur Internet, lorsque les deux chercheurs ont dévoilé les résultats des analyses faites.

En rouge on voit la trajectoire de 4 muons dans le détecteur Atlas, résultant très probablement de la désintégration d'un boson de Higgs. © ATLAS, Collaboration-Cern
Il y a très peu de doute que les détecteurs Atlas et CMS aient effectivement permis de découvrir une nouvelle particule dans les produits de collisions de faisceaux de protons durant les années 2011 et 2012 au Cern. Dans les deux cas, il s’agit d’un boson dont la masse est d’environ 126 GeV et qui se désintègre en d’autres particules selon des réactions similaires. On observe ainsi des paires de photons gamma et des quadruplets de leptons (comme des muons ou des électrons), ainsi que d’autres produits de désintégrations.
Un boson dont l'identité est encore incertaine
Surtout, si l’on compare les deux détecteurs à deux appareils de réception radio cherchant à écouter une station à une fréquence donnée au-dessus d’un bruit de fond, la musique qu’ils écoutent maintenant est devenue beaucoup plus clairement audible. En termes techniques, on dit que le signal est au-dessus du bruit de fond à 5 sigma dans les deux appareils. C’est un peu comme si on écoutait une partie d’une symphonie de Mozart et qu’il n’y ait que 0,00003 % de chance environ que des fluctuations dans le bruit de fond aient reproduit par hasard ce morceau de musique.

John Ellis, le grand physicien théoricien, répond à la question : qu'est-ce que le boson de Higgs et comment le recherche-t-on ? © CernTV, YouTube
Cinq sigma, c'est le seuil que l'on doit atteindre, dans deux appareils de détections différents, pour éviter des erreurs systématiques, et pouvoir affirmer avoir fait une découverte en physique. Peut-on dire pour autant que l'on a découvert le boson de Higgs ?
Pas encore....
Cependant, comme le dit le directeur de la recherche du Cern, Sergio Bertolucci : « Il est difficile de ne pas s’enthousiasmer. Nous avions dit l’année dernière qu'en 2012, soit nous trouverions une nouvelle particule semblable au boson de Higgs, soit nous exclurions l’existence du Higgs du modèle standard. Avec toute la prudence qui s’impose, nous nous trouvons, il me semble, à un croisement : l’observation de cette nouvelle particule nous montre la voie à suivre dans l’avenir pour mieux comprendre ce que nous observons dans les données ». Ce à quoi Rolf Heuer, le directeur général du Cern, a ajouté : « Nous avons franchi une nouvelle étape dans notre compréhension de la nature. La découverte d’une particule dont les caractéristiques sont compatibles avec celles du boson de Higgs ouvre la voie à des études plus poussées, exigeant davantage de statistiques, qui établiront les propriétés de la nouvelle particule ; elle devrait par ailleurs lever le voile sur d’autres mystères de notre univers ».
Futura-Sciences reviendra bientôt plus en profondeur sur cette découverte.

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