Les expériences du Fermilab cernent le boson de Higgs
Publié par Michel le 16/03/2009 à 00:00
Source: CNRS - CEA
Illustration: Fermilab
Les expériences CDF et DZero excluent une fraction importante du domaine de masse possible du boson de Higgs.

Le domaine de masse possible où se cache le boson de Higgs se rétrécit. Les dernières analyses de données des expériences CDF et DZero, réalisées auprès de l'accélérateur Tevatron du Fermilab (1) aux États-Unis et dans lesquelles sont impliqués le CNRS/IN2P3 et le CEA/Irfu (2) , excluent désormais une partie du domaine de masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse inerte) et...) possible du boson de Higgs (Le boson de Higgs est une particule élémentaire dont l'existence a été proposée en 1964 par Gerry Guralnik, C.R. Hagen, et Tom Kibble; Robert Brout et François Englert (et nommé...), déterminé par les expériences antérieures. Celles-ci contraignaient la masse du boson (Les bosons représentent une classe de particules qui possèdent des propriétés de symétrie particulières lors de l'échange de particules : un système de particules identiques se comportant comme des...) de Higgs à se situer entre 114 et 185 GeV/c2. Les nouveaux résultats de CDF et DZero excluent une partie de ce domaine, de 160 à 170 GeV/c2, ce qui implique que le boson de Higgs, s'il existe, a une masse qui se situe soit entre 170 et 185 GeV/c2, soit, plus probablement, entre 114 et 160 GeV/c2.


Le boson de Higgs est la pierre angulaire de la théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer, examiner ». Dans le langage courant, une théorie est une idée ou une connaissance spéculative, souvent...) des particules élémentaires, aussi appelée Modèle standard, qui permet à ce jour (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la période entre deux nuits, pendant laquelle les rayons...) d'expliquer tous les résultats microscopiques connus. Le boson de Higgs est une particule élémentaire (On appelle particules élémentaires les constituants fondamentaux de l'univers décrits par le modèle standard de la physique des particules. Ces particules...) appartenant à la famille des bosons, qui se distingue de celle des fermions, tels l'électron (L'électron est une particule élémentaire de la famille des leptons, et possèdant une charge électrique élémentaire de signe négatif. C'est un des composants de l'atome.) ou le proton (Le proton est une particule subatomique portant une charge électrique élémentaire positive.), par ses propriétés rotationnelles intrinsèques (le "spin (Le spin est une propriété quantique intrinsèque associée à chaque particule, qui est caractéristique de la nature de la particule, au même titre que sa masse et sa charge électrique. Comme la majorité...)"). Dans le Modèle standard, le boson de Higgs est nécessaire pour expliquer pourquoi la grande majorité des particules élémentaires ont une masse. Si tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) le domaine de masse permis du boson de Higgs venait à être exclu, ce pourrait être une découverte encore plus importante que sa mise en évidence, puisque le Modèle standard serait mis en défaut pour la première fois depuis sa formulation (La formulation est une activité industrielle consistant à fabriquer des produits homogènes, stables et possédant des propriétés spécifiques, en mélangeant différentes...), il y a quarante ans.

L'observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et...) du boson de Higgs est aussi l'objectif principal du Large Hadron Collider (Le LHC (Large Hadron Collider, « Grand Collisionneur Hadronique ») est le prochain grand accélérateur de particules qui sera mis en opération en...) (LHC) du CERN, qui prévoit de commencer à collecter des données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction d'affaire, d'un...) avant la fin de cette année (Une année est une unité de temps exprimant la durée entre deux occurrences d'un évènement lié à la révolution de la Terre autour du Soleil.).

Jusqu'à présent, le boson de Higgs n'a pas pu être détecté directement. Les recherches au LEP (Large Electron Positron Collider) du CERN ont établi que le boson de Higgs devait peser plus de 114 GeV/c2. Les calculs d'effets quantiques appliqués à d'autres observations expérimentales mesurées principalement au LEP et au Tevatron, impliquent que sa masse est aussi inférieure à 185 GeV/c2. Avec ce nouveau résultat, il y a maintenant une grande probabilité (La probabilité (du latin probabilitas) est une évaluation du caractère probable d'un évènement. En mathématiques, l'étude des probabilités est...) pour que le boson de Higgs du Modèle standard ait une masse comprise entre 114 et 160 GeV/c2 (par comparaison, la masse du proton est de 0,9 GeV/c2).

Ce succès du Tevatron dans l'exploration (L'exploration est le fait de chercher avec l'intention de découvrir quelque chose d'inconnu.) du domaine du boson de Higgs a été rendu (Le rendu est un processus informatique calculant l'image 2D (équivalent d'une photographie) d'une scène créée dans un logiciel de modélisation 3D comportant...) possible par les performances de l'accélérateur et par l'amélioration continuelle des techniques d'analyse des physiciens de CDF et DZero. Ceux-ci cherchent le boson de Higgs soit “directement” à travers ses possibles produits de désintégrations, soit “indirectement” via des mesures très précises de propriétés de certaines particules déjà connues, qui pourraient témoigner de la présence du boson de Higgs. Pour améliorer leurs chances de le trouver, les physiciens des deux expériences combinent les résultats de leurs analyses, ce qui revient en pratique à doubler la quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire, vecteur, nombre d’objets ou d’une autre manière de dénommer la valeur...) de données pour cette recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension métonymique, la recherche...). Cette combinaison (Une combinaison peut être :) permet aussi à chacune des expériences de vérifier en détail les résultats de l'autre expérience, et d'adopter en commun les meilleures techniques d'analyse.

Jusqu'a présent CDF et DZero ont analysé environ 3 femtobarn^ -1 (unité utilisée pour compter le nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) de collisions) de données. Chaque expérience s'attend à enregistrer 10 femtobarn^ -1 d'ici la fin 2010. Le Tevatron continue à établir de nombreux records d'intensité de production d'antiprotons et de taux de collisions instantanées, ce qui laisse espérer une quantité finale de données encore plus importante que celle prévue actuellement.

Ce résultat de recherche du boson de Higgs est l'un des 70 nouveaux résultats présentés par les collaborations CDF et DZero à la conférence internationale annuelle sur la Physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la physique désigne la...) électrofaible et les théories unifiées, ou rencontres de Moriond, qui se sont tenues du 7 au 14 mars, à La Thuile en Italie.

A noter que les deux collaborations ont également présenté deux autres résultats lors de cette conférence:

- la première observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et d’étude appropriés. Le plaisir procuré explique la très...) de la production rare du quark (Les quarks sont des fermions que la théorie du modèle standard décrit, en compagnie de la famille des leptons, comme les constituants élémentaires de...) top de manière isolée, par interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein d'un système. C'est une action réciproque qui suppose l'entrée en contact de sujets.) électrofaible, qui confirme encore une fois le Modèle standard (Fermilab collider experiments discover rare single top quark, 9 mars 2009: http://www.fnal.gov/pub/presspass/press ... h2009.html),

- la mesure la plus précise jamais faite dans une seule expérience de la masse du boson de W, par l'expérience DZero, ce qui aura aussi des répercussions sur les contraintes indirectes sur la masse du boson de Higgs (Fermilab experiments constrain Higgs mass, 11 mars 2009:
http://www.fnal.gov/pub/presspass/press ... 90311.html).


Notes:

(1) Fermilab est le Laboratoire national de Fermi, situé près de Chicago (Chicago est une mégapole des États-Unis, située dans la partie nord du Middle West, à 1 280 kilomètres à l'ouest de New York et à plus de 3 200 kilomètres au nord-est de Los...), dépendant du Department of Energy (DOE) des USA, et opérant l'accélérateur Tevatron.
CDF, "Collider Detector Facility", est une collaboration internationale rassemblant 602 physiciens appartenant à 63 institutions provenant de 15 pays (Pays vient du latin pagus qui désignait une subdivision territoriale et tribale d'étendue restreinte (de l'ordre de quelques centaines de km²), subdivision de la...). Dzero (D0), du nom du point (Graphie) d'interaction sur le Tevatron, où est situé le détecteur (Un détecteur est un dispositif technique (instrument, substance, matière) qui change d'état en présence de l'élément ou de la situation pour lequel il a été spécifiquement conçu.), est une collaboration internationale rassemblant 550 physiciens appartenant à 90 institutions provenant de 18 pays.
Le financement des expériences CDF et DZero provient du DOE, de la National Science (La science (latin scientia, « connaissance ») est, d'après le dictionnaire Le Robert, « Ce que l'on sait pour l'avoir appris, ce...) Foundation et de plusieurs agences de financements internationales, dont l'IN2P3/CNRS et le CEA/Irfu.

(2) IN2P3 (L'Institut national de physique nucléaire et de physique des particules (IN2P3) est un institut de recherche fondamentale du CNRS dont le domaine de recherche est comme son nom l'indique la physique nucléaire et des particules. Il a été fondé...): Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le Perimeter Institute for Theoretical Physics est un tel institut.) national de physique nucléaire (La physique nucléaire est la description et l'étude du principal constituant de l'atome : le noyau atomique. On peut distinguer :) et de physique des particules (La physique des particules est la branche de la physique qui étudie les constituants élémentaires de la matière et les rayonnements, ainsi que leurs interactions. On l'appelle aussi physique des hautes énergies car de nombreuses particules...) du CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand organisme de recherche scientifique public français (EPST).)
Irfu: Institut de recherche sur les lois fondamentales de l'Univers (L'Univers est l'ensemble de tout ce qui existe et les lois qui le régissent.) du CEA.


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