Il y a dix ans, le 4 juillet 2012, les collaborations ATLAS et CMS au Large Hadron Collider (LHC) annonçaient la découverte d’une nouvelle particule aux caractéristiques cohérentes avec celles du boson de Higgs prédites par le modèle standard de la physique des particules. La découverte a marqué un tournant dans l’histoire de la science et a attiré l’attention du monde. Un an plus tard, il a valu à François Englert et Peter Higgs le prix Nobel de physique pour leur prédiction faite des décennies plus tôt, avec le regretté Robert Brout, d’un nouveau champ fondamental, connu sous le nom de champ de Higgs, qui imprègne l’univers, se manifeste comme le boson de Higgs et donne de la masse aux particules élémentaires.
« La découverte du boson de Higgs a été une étape monumentale dans la physique des particules. Elle a marqué à la fois la fin d’un voyage d’exploration de plusieurs décennies et le début d’une nouvelle ère d’études sur cette particule très spéciale », a déclaré Fabiola Gianotti, directrice du CERN. -Général et chef de projet (« porte-parole ») de l’expérience ATLAS au moment de la découverte. « Je me souviens avec émotion du jour de l’annonce, un jour d’immense joie pour la communauté mondiale de la physique des particules et pour toutes les personnes qui ont travaillé sans relâche pendant des décennies pour rendre cette découverte possible. »
En seulement dix ans, les physiciens ont fait d’énormes progrès dans notre compréhension de l’univers, confirmant non seulement très tôt que la particule découverte en 2012 est bien le boson de Higgs, mais permettant également aux chercheurs de commencer à se faire une idée de la façon dont la présence omniprésente d’un boson de Higgs champ dans tout l’univers s’est établi un dixième de milliardième de seconde après le Big Bang.
Crédit : (c) 2022 CERN
Le nouveau voyage jusqu’ici
La nouvelle particule découverte par les collaborations internationales ATLAS et CMS en 2012 ressemblait beaucoup au boson de Higgs prédit par le modèle standard. Mais était-ce vraiment cette particule tant recherchée ? Dès que la découverte a été faite, ATLAS et CMS ont entrepris d’étudier en détail si les propriétés de la particule qu’ils avaient découverte correspondaient vraiment à celles prédites par le modèle standard. En utilisant les données de la désintégration, ou « désintégration », de la nouvelle particule en deux photons, les porteurs de la force électromagnétique, le
des expériences ont démontré que la nouvelle particule n’a pas de moment cinétique intrinsèque ou de spin quantique, exactement comme le boson de Higgs prédit par le modèle standard. En revanche, toutes les autres particules élémentaires connues ont un spin : les particules de matière, telles que les quarks « up » et « down » qui forment les protons et les neutrons, et les particules porteuses de force, telles que les bosons W et Z.
En observant la production et la désintégration des bosons de Higgs à partir de paires de bosons W ou Z, ATLAS et CMS ont confirmé que ceux-ci acquièrent leur masse grâce à leurs interactions avec le champ de Higgs, comme le prédit le modèle standard. La force de ces interactions explique la courte portée de la force faible, qui est responsable d’une forme de radioactivité et initie la réaction de fusion nucléaire qui alimente le Soleil.
Les expériences ont également démontré que le quark top, le quark bottom et le lepton tau, qui sont les fermions les plus lourds, tirent leur masse de leurs interactions avec le champ de Higgs, là encore comme le prédit le modèle standard. Ils l’ont fait en observant, dans le cas du quark top, le boson de Higgs étant produit avec des paires de quarks top, et dans le cas du quark bottom et du lepton tau, la désintégration du boson en paires de quarks bottom et de leptons tau respectivement. . Ces observations ont confirmé l’existence d’une interaction, ou force, appelée interaction de Yukawa, qui fait partie du modèle standard mais qui est différente de toutes les autres forces du modèle standard : elle est médiée par le boson de Higgs et sa force n’est pas quantifiée, c’est-à-dire qu’il ne s’agit pas de multiples d’une certaine unité.
ATLAS et CMS ont mesuré la masse du boson de Higgs à 125 milliards d’électronvolts (GeV), avec une précision impressionnante de près d’un pour mille. La masse du boson de Higgs est une constante fondamentale de la nature qui n’est pas prédite par le modèle standard. De plus, avec la masse de la particule élémentaire connue la plus lourde, le quark top, et d’autres paramètres, la masse du boson de Higgs peut déterminer la stabilité du vide de l’univers.
Ce ne sont là que quelques-uns des résultats concrets de dix années d’exploration du boson de Higgs dans le collisionneur le plus grand et le plus puissant du monde, le seul endroit au monde où cette particule unique peut être produite et étudiée en détail.
« Les grands échantillons de données fournis par le LHC, les performances exceptionnelles des détecteurs ATLAS et CMS et les nouvelles techniques d’analyse ont permis aux deux collaborations d’étendre la sensibilité de leurs mesures du boson de Higgs au-delà de ce que l’on pensait possible lorsque les expériences ont été conçues. déclare le porte-parole d’ATLAS, Andreas Hoecker.
De plus, depuis que le LHC a commencé à faire entrer en collision des protons à des énergies record en 2010, et grâce à la sensibilité et à la précision sans précédent des quatre expériences principales, les collaborations LHC ont découvert plus de 60 particules composites prédites par le modèle standard, dont certaines sont exotiques « tétraquarks » et « pentaquarks ». Les expériences ont également révélé une série d’indices intrigants d’écarts par rapport au modèle standard qui obligent à une enquête plus approfondie, et ont étudié le plasma quark-gluon qui a rempli l’univers à ses débuts avec des détails sans précédent. Ils ont également observé de nombreux processus de particules rares, effectué des mesures toujours plus précises des phénomènes du modèle standard et innové dans la recherche de nouvelles particules au-delà de celles prédites par le standard.
Modèle, y compris les particules qui peuvent constituer la matière noire qui représente la majeure partie de la masse de l’univers.
Les résultats de ces recherches ajoutent des éléments importants à notre compréhension de la physique fondamentale. « Les découvertes en physique des particules ne signifient pas nécessairement de nouvelles particules », déclare Joachim Mnich, directeur de la recherche et de l’informatique au CERN. « Les résultats du LHC obtenus au cours d’une décennie d’exploitation de la machine nous ont permis d’étendre un réseau beaucoup plus large dans nos recherches, en fixant des limites solides aux extensions possibles du modèle standard, et de proposer de nouvelles techniques de recherche et d’analyse des données. «
Fait remarquable, tous les résultats du LHC obtenus jusqu’à présent sont basés sur seulement 5 % de la quantité totale de données que le collisionneur fournira au cours de sa durée de vie. « Avec ce « petit » échantillon, le LHC a permis de faire de grands pas en avant dans notre compréhension des particules élémentaires et de leurs interactions », déclare Michelangelo Mangano, théoricien du CERN. « Et bien que tous les résultats obtenus jusqu’à présent soient cohérents avec le modèle standard, il reste encore beaucoup de place pour de nouveaux phénomènes au-delà de ce qui est prédit par cette théorie. »
« Le boson de Higgs lui-même peut indiquer de nouveaux phénomènes, dont certains pourraient être responsables de la matière noire dans l’univers », a déclaré le porte-parole de CMS, Luca Malgeri. « ATLAS et CMS effectuent de nombreuses recherches pour sonder toutes les formes de processus inattendus impliquant le boson de Higgs. »
Le voyage qui nous attend encore
Que reste-t-il à apprendre sur le champ de Higgs et le boson de Higgs dix ans plus tard ? Beaucoup. Le champ de Higgs donne-t-il aussi de la masse aux fermions plus légers ou un autre mécanisme pourrait-il être en jeu ? Le boson de Higgs est-il une particule élémentaire ou composite ? Peut-il interagir avec la matière noire et révéler la nature de cette mystérieuse forme de matière ? Qu’est-ce qui génère la masse et l’auto-interaction du boson de Higgs ? At-il des jumeaux ou des parents?
Trouver les réponses à ces questions et à d’autres questions intrigantes permettra non seulement d’approfondir notre compréhension de l’univers aux plus petites échelles, mais peut également aider à percer certains des plus grands mystères de l’univers dans son ensemble, comme la façon dont il est devenu tel qu’il est. et quel pourrait être son destin ultime. L’auto-interaction du boson de Higgs, en particulier, pourrait détenir les clés d’une meilleure compréhension du déséquilibre entre matière et antimatière et de la stabilité du vide dans l’univers.
Alors que les réponses à certaines de ces questions pourraient être fournies par les données de la troisième exploitation imminente du LHC ou de la mise à niveau majeure du collisionneur, le LHC à haute luminosité, à partir de 2029, les réponses à d’autres énigmes seraient hors de portée du LHC, nécessitant une future « usine à Higgs ». C’est pourquoi le CERN et ses partenaires internationaux étudient la faisabilité technique et financière d’une machine beaucoup plus grande et plus puissante, le futur collisionneur circulaire, en réponse à une recommandation formulée dans la dernière mise à jour de la stratégie européenne pour la physique des particules.
« Les collisionneurs à haute énergie restent le microscope le plus puissant à notre disposition pour explorer la nature aux plus petites échelles et découvrir les lois fondamentales qui régissent l’univers », déclare Gian Giudice, chef du département Théorie du CERN. « De plus, ces machines apportent également d’énormes avantages sociétaux. »
Historiquement, les technologies d’accélération, de détection et de calcul associées aux collisionneurs à haute énergie ont eu un impact positif majeur sur la société, avec des inventions telles que le World Wide Web, les développements de détecteurs qui ont conduit au scanner PET (Positron Emission Tomography) et la conception d’accélérateurs pour l’hadronthérapie dans le traitement des cancers. De plus, la conception, la construction et l’exploitation de collisionneurs et d’expériences de physique des particules ont abouti à la formation de nouvelles générations de scientifiques et de professionnels dans d’autres domaines, et à un modèle unique de collaboration internationale.