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Grâce à l’énorme quantité de données accumulées par le LHC, les scientifiques ont d’ores et déjà réussi à circonscrire l’espace dans lequel se cache le boson de Higgs. Le boson de Higgs est la pièce maîtresse du "Modèle standard de la physique des particules", qui a été inventé dans les années soixante. Le rêve de la communauté scientifique : que ces expériences permettent de confirmer ou d’infirmer l’existence du fameux boson, encore jamais détecté à ce jour.

Genève, le 31 octobre 2011. Après six mois d’exploitation et quatre cent trillions de collisions proton-proton, l’exploitation avec protons du LHC a pris fin le 31 octobre 2011. L’équipe du LHC a ainsi dépassé ses objectifs, augmentant régulièrement la cadence à laquelle le LHC a livré des données aux expériences.

Au début de la campagne d’exploitation de cette année, le LHC avait pour objectif de livrer aux expériences courant 2011 un femtobarn inverse (1 fb-1) de données, dans le langage des physiciens. Cette étape a été franchie en juin, ce qui a conduit à revoir à la hausse l’objectif de données pour 2011 pour le fixer à 5 fb-1. La quantité totale de données livrées en 2011 à chacune des deux expériences généralistes - ATLAS et CMS - avoisine donc les 6 fb-1.

L’exploitation avec protons de cette année permet de mieux circonscrire l’espace dans lequel se cache le boson de Higgs afin d’en confirmer ou infirmer l’existence. Il s’agit ainsi de mettre à l’épreuve de façon encore plus exigeante le Modèle standard de la physique des particules, qui a été inventé dans les années 60, et d’approfondir notre compréhension de l’Univers primordial.

"Nous avons effectué un nombre considérable de mesures du Modèle standard et franchi des territoires jusqu’ici inexplorés à la recherche d’une nouvelle physique. En particulier, nous sommes parvenus à circonscrire le boson de Higgs dans la partie basse de la gamme de masses dans laquelle il est susceptible de se trouver, a indiqué Fabiola Gianotti, porte-parole d’ATLAS. C’est là que les théoriciens et les expérimentateurs s’attendaient à ce qu’il soit, mais cette zone est la plus difficile à étudier."

Le boson de Higgs, à la rescousse du modèle standard

Le boson de Higgs joue un rôle central dans le modèle standard, la théorie reine de la physique des particules. En effet, le modèle standard veut que la matière soit constituée de particules élémentaires - comme des quarks ou des électrons - qui interagissent sous l’effet de forces qui sont-elles mêmes véhiculées par des particules messagers, comme des gluons ou des photons. Mais cette théorie présente un "talon d’Achille".

"En effet, dans le modèle standard, en tout cas dans sa version initiale, les particules sont dépourvues de masse. Un état de fait qui, malheureusement, ne correspond pas à la réalité. Les mesures expérimentales ont en effet montré que certaines particules - comme toutes les choses qui nous entourent - ont une masse.Pour pallier ce problème, les chercheurs ont appliqué une rustine théorique à leur modèle en créant un mécanisme et un objet étrange - le boson de Higgs - dont l’apparition confèrerait une masse aux particules. Problème résolu... sur le moment.

Car depuis qu’il a été imaginé, en 1964, personne ne l’a vu, ce fameux boson. Aucune preuve, aucun indice, aucune trace d’un éventuel stigmate de sa présence n’a été détectée et ce, depuis quarante-sept ans." (Viviane Thivent, 2012, L’année du Higgs, 10/08/2011, Universcience.fr)

D’où l’enjeu des données collectées par le LHC et l’enthousiasme des chercheurs mobilisés dans cette entreprise.

"Au moment où je vous parle, a déclaré Guido Tonelli, porte-parole de CMS, des centaines de jeunes scientifiques continuent à analyser l’énorme quantité de données accumulées jusqu’ici ; nous aurons bientôt de nouveaux résultats et, peut-être, quelque chose d’important à dire sur le boson de Higgs du Modèle standard.

Jusqu’à présent, le Modèle standard de la physique des particules s’en sort bien, mais grâce à l’excellente performance du LHC, nous commençons à atteindre des niveaux de sensibilité qui pourraient nous permettre de voir bientôt au-delà du Modèle standard. Les chercheurs, en particulier les plus jeunes, vivent ces événements avec beaucoup d’enthousiasme et ont hâte que l’on découvre une nouvelle physique."

Le LHC se prépare à présent en vue de quatre semaines d’exploitation pendant lesquelles il va tenter de mettre en collision des protons avec des ions plomb. S’ils s’avèrent concluants, ces essais ouvriront la voie à un nouveau mode d’exploitation du LHC, consistant à utiliser des protons pour sonder la structure interne des ions plomb, bien plus massifs que les protons.

Le but de ce programme est d’étudier le plasma quarks-gluons, c’est-à-dire la soupe primordiale de particules à partir de laquelle a évolué la matière ordinaire dont est fait aujourd’hui l’Univers visible.

Une vidéo explicative sur l’expérience ATLAS

"L’expérience Atlas", Produced by: CERN, Director: Bob van Gijzel. 19 min. / 01 July 2002 / © 2002 CERN

Sources :
Fin de l’exploitation 2011 avec protons du LHC : un grand succès, Communiqué de presse du CERN du 28/10/2011
2012, l’année du Higgs , Actualité du 10/08/2011, Universcience.fr

Définition
Le boson de Higgs est une particule élémentaire appartenant à la famille des bosons, qui se distingue de celle des fermions, tels l’électron ou le proton, par ses propriétés rotationnelles intrinsèques (le "spin"). 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 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, il y a quarante ans.

Pour rebondir :

Visionner une vidéo pédagogique sur le Modèle standard de la physique des particules (en anglais)

Video produced as part of the ATLAS multimedia contest internship, 2009 Claudia Marcelloni; Phil Owen; Jonas Strandberg (PhD Univ. of Michigan) and Tobias Golling (PhD Yale Univ.)

A consulter aussi :
Les ressources de Science.gouv sur le LHC, les expériences du CERN et le boson de Higgs, en particulier : A la poursuite du Big Bang, Actualité du 30 mars 2010 sur une expérience de collision à haute énergie, avec une interview video de Benedetto Gorini, coordinateur ATLAS.

Crédits iconographiques :
Simulation of a detection of Hidden Valley Z’ decay into jets in the CMS experiment © 2007 CERN
Bouchon du detecteur d’ATLAS dans le Hall 180. © 2003 CERN (Trois scientifiques de l’Institut de physique nucléaire de Novossibirsk posent devant le détecteur mis au point par leur institut pour l’expérience ATLAS)