La science passe à la vitesse supérieure : entretien avec Rolf Heuer, directeur général du CERN Understand article

Traduit par Claire Debrat. Le directeur général du CERN raconte l’épopée du boson de Higgs et explique ce qui reste à venir.

Rolf Heuer
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l’aimable autorisation de CERN

Le CERN n’est pas seulement le plus grand laboratoire de physique des particules au monde. Rolf Heuer, son directeur général, explique : « au CERN, toutes sortes de cultures et de nations se retrouvent autour de la science et parlent une seule langue universelle, celle de la recherche. C’est un exemple de bonne coopération ».

Une section du tunnel de 27
km qui abrite le LHC. Le LHC
sera en fonction jusqu’en
février 2013 pour permettre
d’effectuer les mesures
nécessaires sur la nouvelle
particule. Rolf Heuer
explique : « c’est comme si
vous voyiez quelqu’un de
très loin qui ressemble à
votre meilleur ami. Si vous
voulez être sûr que ce n’est
pas son jumeau, il faut
beaucoup vous rapprocher.
C’est cela qui prend du
temps ».

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Le CERN ne crée d’ailleurs pas des ponts qu’entre chercheurs. « Si vous venez pendant l’été en tant qu’étudiant, vous pourriez déjeuner aux côtés d’un prix Nobel. Tout le monde ici, des employés de la cantine jusqu’à la direction, sent qu’il fait partie du CERN et partage le désir de faire progresser nos connaissances. Chacun apporte sa pierre pour atteindre cet objectif ; les différences politiques, culturelles et d’éducation s’arrêtent à l’entrée. »

Le CERN est donc un lieu de travail spécial ; son accélérateur de particules, le LHC, est une pièce unique, le plus grand accélérateur de particules au monde. Il se trouve dans un tunnel circulaire de 27 km qui traverse la frontière franco-helvétique en sous-sol. Il a été mis en fonction en 2008. M. Heuer ajoute que « le LHC est aussi l’un des endroits les plus froids au monde, il est maintenu à une température de 1,9 K avec de l’hélium superfluide. Même l’espace n’est pas aussi froid, la température y est de 2,7 K.

L’équation légendaire
d’Einstein permet de
comprendre que, pour
recréer les particules très
lourdes qui existaient une
fraction de seconde après le
Big Bang, il faut que les
particules qui entrent en
collision dans le LHC soient
à un niveau d’énergie très
élevé.

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Nicola Graf

En même temps, c’est l’un des endroits les plus chauds de notre galaxie, car lorsque des protons entrent en collision à l’intérieur du LHC, les températures produites sont largement supérieures à celles que l’on trouve au centre du Soleil. Lorsque deux protons circulant quasiment à la vitesse de la lumière entrent en collision, c’est comme si deux moustiques entraient en collision pendant leur vol », explique M. Heuer.

« sauf que ces protons sont des particules infiniment petites, ce qui signifie que leur densité d’énergie (l’énergie divisée par le volume) est énorme. Cette densité d’énergie est proche de celle qui existait lors du Big Bang ».

Comme l’expliquent deux articles antérieurs deScience in School (Landua & Rau, 2008Landua, 2008), ces collisions à des niveaux d’énergie extrêmes peuvent produire des particules très lourdes, comme celles qui ont été formées dans les conditions d’énergie extrêmes des quelques fractions de seconde ayant suivi le Big Bang. Ces particules sont si lourdes qu’elles n’ont plus été produites depuis. Pour rappel, l’équation de Einstein E=mc2 implique qu’il faut beaucoup d’énergie pour créer une particule très lourde.

Figure 1 : Le modèle standard
décrit les particules
fondamentales qui forment
tout ce qui est visible dans
l’Univers (y compris nous),
ainsi que les forces qui
régissent leurs interactions.
Cliquer sur l’image pour
l’agrandir.

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Au moment où je parle avec M. Heuer, un épisode très lointain de notre histoire vient d’être reproduit : le 4 juillet 2012, le CERN a annoncé avoir détecté dans le LHC une particule « compatible avec la description du boson de Higgs », dont la dernière apparition remonte à 10-12 secondes après le Big Bang. Une nouvelle exceptionnelle. « Cela fait 40 ans que nous recherchions cette particule. Nous ne réalisons sûrement pas encore complètement ce que signifie cette découverte, mais c’est peut-être l’un des événements les plus importants des dernières décennies en recherche », dit-il.

Si la particule récemment détectée est vraiment le boson de Higgs, le modèle standard de la physique des particules aura été validé. Ce modèle décrit les particules fondamentales qui forment tout ce qui est visible dans l’Univers (y compris nous), ainsi que les forces qui régissent leurs interactions (voir figure 1). Rolf Heuer explique que « le boson de Higgs était le chaînon manquant et indispensable du modèle standard ».

Cette découverte permettrait aussi d’expliquer pourquoi les particules (et avec elles, la matière) ont une masse. La traque pour le boson de Higgs a commencé dans les années 1960, lorsqu’une équipe de physiciens dont faisait partie Peter Higgs a émis l’hypothèse de l’existence d’un champ, aujourd’hui appelé le champ de Higgs : juste après le Big Bang, les particules n’avaient pas de masse, mais en ont rapidement acquis une en interagissant avec ce champ ; plus l’interaction était forte, plus la particule gagnait en masse.

« Imaginez que le champ de Higgs est un groupe de journalistes répartis de façon uniforme dans une pièce », explique M. Heuer. « Je peux traverser la pièce sans masse, à la vitesse de la lumière, parce qu’ils ne me connaissent pas. Si une star entre dans la pièce, les journalistes vont se regrouper autour d’elle : la star va être ralentie et acquérir une masse. Plus la personne est connue, plus le nombre de journalistes qui l’entourent est grand, plus cette personne acquiert de masse. C’est comme cela que les particules acquièrent une masse dans le champ de Higgs ». Voir la figure 2.

Figure 2 : Le mécanisme de Higgs. Cliquer sur l’image pour l’agrandir.
1. Pour comprendre le mécanisme de Higgs, imaginons que le champ de Higgs qui remplit l’espace est comme une foule de journalistes qui discutent calmement dans une pièce.
2. Un scientifique de renom, Albert Einstein, entre dans la pièce et crée une perturbation à mesure qu’il traverse la pièce, attirant une foule d’admirateurs à chaque nouveau pas en avant.
3. Ce phénomène augmente sa résistance au mouvement – c’est-à-dire qu’il acquiert une masse, exactement comme une particule qui traverserait le champ de Higgs.
4. Si une rumeur court dans la pièce…
5. …les journalistes vont à nouveau se regrouper entre eux. Dans cette analogie, les groupes de journalistes sont les particules de Higgs.

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Et le boson de Higgs, dans tout ça ? Les bosons, par définition, sont des particules dont le moment cinétique (le spin) est un multiple entier (0, 1 ou 2) de la constante de Planck. Certains bosons sont des particules-vecteurs (des particules de force) grâce auxquelles les particules de matière interagissent entre elles. Un photon, par exemple, est un boson porteur d’une force électromagnétique, tandis qu’un graviton est un boson porteur d’une force gravitationnelle. La théorie prévoit cependant que le boson de Higgs est différent : il serait le produit de l’interaction du champ de Higgs avec lui-même (voir figure 2). « Imaginez que j’ouvre la porte de la salle où sont réunis les journalistes et que je chuchote quelque chose. Les journalistes vont être intrigués et se demander ce que j’ai dit. Cette interaction des journalistes entre eux, c’est l’interaction du champ de Higgs avec lui-même, c’est le boson de Higgs. »

Rolf Heuer raconte que Peter
Higgs était « très touché par
l’annonce. Il a avoué que si
nous avions exclu la
possibilité que le boson de
Higgs existe, il n’aurait plus
rien compris à la physique
des particules ».

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Murdo MacLeod

Le problème du boson de Higgs, c’est précisément que personne ne sait s’il existe vraiment ou pas. Au fur et à mesure, des accélérateurs de particules de plus en plus puissants ont été construits pour en rechercher la trace en faisant entrer en collision des particules à des niveaux d’énergie toujours plus élevés. Les physiciens ont ainsi pu créer des particules de plus en plus massives, mais le boson de Higgs manque toujours à l’appel. Est-ce qu’il n’existe tout simplement pas, ou est-ce qu’il faut construire un accélérateur encore plus puissant pour le détecter ? La particule récemment découverte a peut-être répondu à la question.

Concrètement, comment les scientifiques du CERN ont-ils détecté cette nouvelle particule ?

Le signal recherché était celui de la désintégration du boson de Higgs mais, pour le repérer, il fallait le différencier des types de désintégration qui correspondent aux très nombreuses autres particules créées dans le LHC. Rolf Heuer plaisante et compare cette méthode à « essayer de trouver un type de flocon de neige précis en le photographiant au milieu d’une tempête de neige. C’est très difficile ».

Cette image de synthèse
représente les données
extraites d’une des
nombreuses collisions
produites dans la traque du
boson de Higgs. « On ne
cherche pas une aiguille dans
une botte de foin, on cherche
une aiguille dans des
millions de bottes de foin, et
en plus les bottes de foin
elles-mêmes sont faites
d’aiguilles: on cherche une
aiguille à peine différente de
toutes les autres », explique
M. Heuer.

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La désintégration du boson de Higgs (aussi appelée événement) en deux photons, en particulier des photons à haut niveau d’énergie, était un bon signal à traquer. Lorsque les photons détectés ont la même origine, il se peut qu’ils soient le produit de la désintégration d’un boson de Higgs. Ils peuvent cependant tout aussi bien faire partie du bruit de fond (la « tempête de neige ») causé par les collisions et désintégrations d’autres particules dans le LHC. Dans ce cas, comment les différencier ?

La réponse est sans appel : c’est impossible. En aucun cas on ne peut dire si les photons proviennent de la désintégration d’un boson de Higgs ou d’autres particules. On peut cependant utiliser des analyses statistiques pour vérifier si le nombre de désintégrations correspond à ce qui est attendu. Pour cela, on pose une hypothèse nulle – ici, l’inexistence du boson de Higgs – et on l’utilise pour prédire les résultats qu’on obtiendrait si cette hypothèse était correcte. Si le nombre de désintégrations réellement détectées est supérieur aux prédictions, cela peut être le signe que le boson de Higgs existe.

C’est exactement le résultat obtenu en juillet 2011 sur deux des expériences menées dans le LHC, ATLAS et CMS. Les résultats dépassaient la courbe de référence, celle qui correspond aux résultats attendus avec l’hypothèse nulle : cette déviation correspondait à un nombre plus élevé de désintégrations que prévu. Ce qui est crucial, c’est que les deux expériences ont relevé la déviation au même endroit de la courbe, à un point correspondant à une masse de 126 GeV, et la déviation était d’une amplitude similaire, c’est-à-dire que le « surplus » de désintégrations était le même dans les deux cas. Restait à savoir si les déviations étaient significatives du point de vue statistique. En physique des particules, la limite minimale pour qu’un résultat soit significatif est très hautew1: cinq sigma, où environ 1 chance sur 3,5 millions que le résultat observé soit dû au hasard, alors même que l’hypothèse nulle est en fait vraie.

Résultats obtenus lors des expériences sur ATLAS (gauche) et sur CMS (droite), qui montrent le nombre (pondéré) de désintégrations détectées pour chaque masse de particule possible. La différence entre les lignes rouges pointillée et pleine correspond à la déviation par rapport aux résultats attendus et donc à la désintégration d’une particule inconnue. Cliquer sur l’image pour l’agrandir.
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En juillet 2011, les premières données recueillies étaient encourageantes, mais le degré de certitude était bien loin des cinq sigma. L’année suivante, cependant, les deux équipes ont collecté toujours plus de données, qui pointaient toutes vers la même observation : il y avait plus d’événements à deux photons de masse 126 GeV qu’attendu si le boson de Higgs n’existait pas. Enfin, le 4 juillet 2012, la limite des cinq sigma a été atteinte : les chercheurs et scientifiques du CERN avaient suffisamment d’assurance pour annoncer au monde entier la découverte d’une « particule compatible avec la description du boson de Higgs ».

Le professeur Heuer compare
la collision entres particules
dans le LHC à celle entre
deux moustiques en
plein vol.

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La plupart des gens ont été surpris par l’annonce du CERN, même si des informations avaient été transmises petit à petit par le laboratoire. M. Heuer, au contraire, a senti l’excitation monter petit à petit au cours des mois. Le fait d’avoir divulgué au fur et à mesure les étapes franchies n’a pas diminué le moins du monde l’effet de l’annonce finale. « La découverte elle-même est l’un des moments les plus formidables de ma carrière, nous avons écrit une page de l’Histoire. »

Que sait-on exactement sur cette nouvelle particule ?

« Nous savons que c’est une particule inconnue jusqu’à aujourd’hui et nous savons que c’est un boson, le plus lourd jamais découvert et similaire au boson de Higgs. Vous savez, les scientifiques sont souvent très prudents. Si je parle comme Monsieur-tout-le-monde, je dirai « on a trouvé le boson de Higgs », mais en tant que scientifique je dois me demander “qu’est-ce qu’on a trouvé, au juste ?”. »

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l’aimable autorisation de CERN

Il reste donc maintenant à caractériser cette particule, entre autre en déterminant son spin. Tous les bosons découverts jusqu’à présent, par exemple les photons, ont un spin de 1. Ils sont associés à des champs vectoriels : le champ électromagnétique, par exemple, est un champ vectoriel qui possède à la fois une direction et une force ; c’est ce qui fait que le photon se déplace dans une direction particulière, et donc a un spin non nul. Selon l’hypothèse qui prévoit son existence, le boson de Higgs est différent, car il est associé au champ de Higgs, qui est un champ scalaire. Son spin est donc 0.

« Pour comprendre la différence entre ces champs, imaginez que vous nagez. Si vous êtes dans une rivière, la force que l’eau exerce sur vous dépend de la direction dans laquelle vous nagez. La rivière correspond ici à un champ vectoriel. En revanche, si vous nagez dans une piscine, l’eau exercera la même force sur vous quelle que soit la direction dans laquelle vous nagez. La piscine correspond à un champ scalaire. »

La salle de contrôle du CERN
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l’aimable autorisation de CERN

Il faudra aussi mesurer avec précision la masse de la particule découverte. « Au lieu d’avoir trouvé le boson de Higgs, nous pourrions avoir trouvé un boson de Higgs. Le modèle standard prédit l’existence d’un seul boson de Higgs, mais la théorie de la supersymétrie en prévoit cinq (pour plus d’explications sur cette théorie dérivée du modèle standard, voir l’article de Landua & Rau, 2008). Le boson de Higgs le plus petit dont l’existence est postulée dans la supersymétrie possède quasiment la même masse que celui prévu dans le modèle standard.

« Distinguer entre un boson et un autre est donc très compliqué, nous avons besoin de mesures supplémentaires. » Le LHC va donc servir à collecter autant de données de collisions que possible jusqu’en février 2013, date à laquelle il sera arrêté pour être amélioré avant de redémarrer fin 2014 avec une puissance de collision accrue et la capacité de créer et détecter des particules toujours plus lourdes.

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l’aimable autorisation de CERN

En clair, si les mesures prises au cours des prochains mois démontrent que la particule découverte est le boson ou un boson de Higgs, cela démontrera la validité du modèle standard et l’existence du champ de Higgs, et confirmera ainsi le mécanisme par lequel les particules acquièrent leur masse. En revanche, que signifierait le contraire, si la particule n’était pas le boson de Higgs ? « Si la particule est légèrement différente de ce que prévoit la théorie, nous entrouvrirons alors peut-être la porte d’une nouvelle physique, au-delà du modèle standard ».

La figure ci-dessus permet
de visualiser la répartition de
la matière « normale »,
perçue grâce aux gaz chauds
(en rouge) détectés avec le
télescope spatial XMM-
Newton et aux étoiles et
galaxies (en gris) observées
avec le télescope spatial
Hubble. Cette répartition
peut être comparée à celle
de la matière noire invisible
(en bleu), déduite des effets
de mirage gravitationnel.
Cette figure montre comment
la matière « normale » de
l’Univers repose sur une
« structure » sous-jacente
de matière noire.

Image reproduite avec
l’aimable autorisation de NASA
/ ESA / R Massey (California
Institute of Technology)

Quel que soit le résultat, le LHC redémarrera pour que les chercheurs se penchent sur la physique au-delà du modèle standard. En effet, ce modèle ne permet de décrire que l’univers visible, c’est-à-dire tout juste 4 à 5 % de l’énergie totale de l’Univers. M. Heuer fait ainsi remarquer que « le modèle standard est loin de tout expliquer. On ne sait toujours pas, par exemple, ce qu’est devenue l’antimatière qui existait dans les premiers instants d’existence de l’Univers, ni combien de dimensions spatio-temporelles forment notre monde. Quant à la matière noire et à l’énergie sombre, ce modèle n’en dit absolument rien. »

Sur les 95 % de l’Univers que le modèle standard ne permet pas d’expliquer, on estime qu’un quart est constitué de matière noire. « Si l’on prend en compte que l’univers visible ne représente que 5 % du total, on imagine tout de suite le rôle essentiel que la matière noire a pu jouer dans la formation initiale de l’Univers. Les astronomes peuvent nous dire comment cette formation a eu lieu, mais seul un accélérateur de particules nous permettra de produire de la matière noire en laboratoire et donc de comprendre exactement de quoi il s’agit. Cette matière est-elle composée d’un seul type de particule, ou est-elle variée comme dans le monde que nous connaissons ? ». La supersymétrie permettra peut-être d’apporter des réponses à ces questions. Le LHC, après sa période d’arrêt, sera assez puissant pour créer et détecter certaines particules très lourdes dont l’existence est prévue par cette théorie.

Les trois quarts restants de l’univers invisible sont formés d’énergie sombre. Cette énergie serait la cause de l’expansion de l’Univers. Pour Rolf Heuer, le LHC et les recherches qui y sont menées sur le boson de Higgs pourraient aussi apporter un éclairage sur ces énigmes.

« Le champ de Higgs est scalaire, tout comme l’énergie sombre. Ces deux composantes sont certes distinctes, mais l’étude du champ de Higgs peut nous en apprendre davantage sur l’énergie sombre. »

Pour faire court, « pour le moment nous ne savons pas grand chose sur la matière noire et quasiment rien sur l’énergie sombre, mais je pense que le LHC va nous permettre une incursion dans l’univers non visible ».

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l’aimable autorisation de CERN

Depuis le début de notre entretien, M. Heuer ouvre avec enthousiasme le monde de la physique aux non-spécialistes. Il a aussi un don pour cela : « lors d’une conférence à la Royal Society, à Londres, j’ai présenté le LHC, la recherche qui y est liée et les mystères fascinants de l’univers non visible. Le lendemain, un adolescent de 14 ans m’a écrit pour m’annoncer qu’il était bon en mathématiques et en physique et qu’il voulait venir travailler au CERN en 2018 ».

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l’aimable autorisation de CERN

M. Heuer admet lui-même que le plus dur n’est pas d’éveiller l’intérêt de la jeunesse pour les sciences, mais de le nourrir. C’est pour cela qu’il insiste sur l’importance d’« expliquer les nouvelles avancées et les questions brûlantes de la recherche, par exemple au travers de Science in School ». Nous avons un vrai fan !

L’entretien touche à sa fin et je demande à M. Heuer s’il a des conseils à donner aux lecteurs. « Les programmes actuels ne sont pas forcément fascinants pour les élèves ; quand on leur parle de la mécanique connue depuis le 19e siècle, ils s’ennuient tout de suite. À l’inverse, pour attirer leur attention, parler de la science moderne est un vrai plus. » Il est par ailleurs convaincu, pour le bonheur de tous, que beaucoup de choses peuvent s’expliquer sans mathématiques.

« Je viens par exemple de vous expliquer le mécanisme de Higgs en utilisant des journalistes. Bien sûr, pour comprendre et expliquer le mécanisme jusqu’au bout, il faut des mathématiques, mais les étudiants peuvent approfondir plus tard. L’important, au début, c’est de comprendre la logique des choses. »

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References

Web References

Resources

Institution

EIROforum, CERN

Author(s)

Dr Eleanor Hayes est rédacteur en chef de Science in School. Après des études de zoologie à l’université d’Oxford (GB) et un doctorat en écologie des insectes, elle a travaillé quelque temps dans l’administration d’une université. En 2001, elle part pour l’Allemagne et se lance dans la publication scientifique. Elle est arrivée au Laboratoire européen de biologie moléculaire en 2005, où elle a lancé Science in School.




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CC-BY-NC-ND