Les physiciens pris par la fièvre de la particule X

Les physiciens pris par la fièvre de la particule X
Les données enregistrées au LHC de Genève indiquent une anomalie qu'aucune théorie n'avait prévue. ©Rex Features/REX/SIPA

Le Cern, temple européen de la physique des particules, vit depuis six mois dans une intense excitation : les chercheurs ont-ils découvert une nouvelle particule ou s’agit-il d’une fausse alerte ? En attendant, les théoriciens émettent de stimulantes hypothèses.

Depuis six mois, les physiciens ne pensent qu’à ça : que peut bien signifier l’« anomalie » enregistrée au LHC, le grand collisionneur de hadrons du Cern, le plus grand accélérateur de particules du monde situé sous la frontière franco-suisse ? Un clin d’oeil des premiers instants de l’Univers ? Ou une particule venant bouleverser toute la physique ? Peut-être tout cela à la fois, ou alors rien du tout : l’anomalie rentrera dans le rang une fois intégrées les prochaines données. Car cette petite « bosse » bizarre enregistrée par les détecteurs ne correspond pour l’instant à rien de connu.

Constituée d’un excès d’une dizaine de paires de photons très énergétiques, elle semble indiquer le surgissement d’une particule curieuse, que nous appellerons provisoirement la particule X, ayant une masse de 750 gigaélectronvolts (GeV). Aucune théorie ne permet pour l’heure de l’expliquer… Au point que beaucoup reprennent avec humour la phrase du physicien américain Isaac Rabi lorsqu’en 1936, le muon, le cousin poids lourd de l’électron a été découvert à la grande surprise des spécialistes : « Mais qui a commandé ça ? »

En attendant, au LHC, les paires de photons s’accumulent dans les détecteurs en formant cette « bosse » inattendue dans les données, au point que les chercheurs pourraient bien annoncer début août à la 38Conférence sur la physique des hautes énergies à Chicago (État-Unis) une découverte fracassante, sauf si survient d’ici là un retournement de situation comme la disparition de l’anomalie. Restera alors cette question que les théoriciens prennent comme un exercice stimulant, qui a fait l’objet de plus de 420 articles, quelques hypothèses : d’où vient X et quel est son message ?

Simple fluctuation statistique, ou vrai signal ?

Tout a commencé en décembre 2015. Des données intrigantes ont été enregistrées par un des immenses détecteurs, le CMS, sur le LHC. « Un matin, alors que nous étions en train d’effectuer des mesures dans notre détecteur CMS, nous avons appris que nos collègues travaillant sur l’autre détecteur, Atlas, avaient vu la même chose que nous ! C’était le premier indice que l’irrégularité que nous avions enregistrée pouvait vraiment constituer un signal », se souvient Yves Sirois, du laboratoire Leprince-Ringuet de l’École polytechnique et porte-parole français de CMS.

En physique des particules, les anomalies sont fréquentes et les scientifiques ne comptent plus le nombre de fois où des « bosses » suspectes sont apparues dans leurs résultats, avant de disparaître comme de simples fluctuations statistiques qu’elles étaient en réalité… « Cette fois-ci,poursuit Yves Sirois, il est possible que nous tenions un vrai signal, même si nous n’en sommes pas encore certains. »

Pour parvenir à l’affirmer et le revendiquer haut et fort, les chercheurs doivent respecter une série de protocoles stricts afin de démontrer que l’enregistrement a moins d’une chance sur… 10 milliards d’être le fait du hasard ! De quoi donner le vertige.

Pour cela, les détecteurs CMS et Atlas fonctionnent en parallèle avec une règle d’or : que les deux équipes respectives restent muettes sur leurs éventuelles détections, pour confronter en temps voulu leurs résultats. Et chaque expérience doit atteindre un degré de confiance inouïe : la probabilité que le signal soit fortuit doit être inférieure à 1 sur plus de 3,5 millions.

C’est donc ce moment historique qui devrait survenir ou s’évanouir dans les jours ou les semaines qui viennent. L’excitation qui a gagné les expérimentateurs du LHC s’est propagée aussi chez les théoriciens. Du haut de ses 750 GeV, la particule X nargue en effet leurs modèles concoctés au cours des décennies passées.

Dans les labos, les chercheurs ont très vite compris qu’il allait leur falloir élaborer du « sur mesure » pour comprendre cette éventuelle nouvelle venue. Résultat de cette frénésie : une avalanche de publications dans les revues scientifiques.

Des propositions que les physiciens devront étudier et décortiquer dans les prochaines années avec un seul objectif, le même depuis toujours : trouver une explication — de préférence belle, cohérente et simple — pour rendre compte non seulement du monde qui nous entoure mais aussi des premiers instants de l’Univers. En somme, écrire l’histoire du cosmos.

Recréer dans les labos les premiers instants du cosmos

Longtemps, les astrophysiciens ont cru en effet qu’il leur suffirait de lever les yeux vers le ciel ou de s’équiper de télescopes pour parvenir à comprendre cette histoire démesurée. Las ! ils ont dû rapidement déchanter.

Certes, l’observation des astres apporte de précieuses informations sur la portion de l’Univers qui nous est proche, mais l’essentiel des événements cosmiques a eu lieu au tout début de l’Univers, lorsque celui-ci était extrêmement chaud et dense : 99 % de la matière (hydrogène et hélium) s’y étant formée, les lois auxquelles l’Univers obéit se sont donc mises en place au cours de ces moments, il y a un peu moins que 14 milliards d’années.

Or pas une seule lueur ne nous parvient de cette prime enfance. Et pour cause : les températures dépassaient alors plusieurs milliards de degrés et la matière ne ressemblait pas du tout à celle qui nous est familière. Il s’agissait d’une « soupe primordiale » dans laquelle particules de matière et de lumière étaient intimement liées, au point que les photons y étaient emprisonnés.

Pour y voir clair, il a donc fallu attendre 400.000 ans que la température moyenne dégringole à 3.000 °C, ce qui a permis à la matière de se structurer, libérant alors les photons qui ont formé la lumière primordiale du cosmos, nous apportant ainsi les toutes premières informations.

Dès lors, comment explorer cette très lointaine et sombre terra incognita ? En recréant en laboratoire les conditions de cette époque avec force aimants supraconducteurs et champs magnétiques intenses pour atteindre les énergies d’alors. C’est dans ce but que des accélérateurs de particules ont été créés, essentiellement en Europe et aux États-Unis.

Quelques-uns d’entre eux — comme le LEP qui s’est arrêté en 2000, pour laisser son tunnel au LHC — se sont alors spécialisés dans la recherche des composants de la matière et des particules ayant existé aux tout débuts de l’Univers. Avec un principe de fonctionnement identique : accélérer des particules et les faire entrer en collision, pour ensuite en examiner les débris et tenter d’en tirer des enseignements.

C’est ainsi que les physiciens se sont retrouvés en quelques décennies à peine à la tête d’un vrai zoo de particules, toutes nées dans ces machines : 12 particules appelées fermions, qui se répartissent en trois familles de quatre, formant les ingrédients de toute la matière de l’Univers (l’équivalent de deux types de quark, un électron et un neutrino pour chaque famille). Puis les quatre particules médiatrices des forces présentes dans l’Univers, appelées bosons (photon, W ou Z, gluon, graviton). Et enfin, en 2012, est apparu le boson de Higgs, indispensable pour expliquer la masse de toutes les autres.

Des grains de sable dans le modèle standard

L’ensemble de ces particules composent ce que les physiciens nomment le « modèle standard », qui leur permet de rendre compte de l’Univers tel que nous l’observons. Un édifice théorique — véritable chef-d’oeuvre de l’humanité — qui fonctionne à merveille depuis les premiers instants de l’Univers jusqu’à aujourd’hui… ou presque. Car quelques « grains de sable » grippent les beaux rouages du modèle standard.

Par exemple, les observations des galaxies montrent que seules 5 % de leur masse sont visibles : où est donc passée la masse cachée? De même, les expériences de physique montrent que lorsque l’énergie se transforme en matière, il se crée toujours autant de matière que d’antimatière. Pourtant notre monde n’est fait que de matière : Où peut donc bien se cacher l’antimatière ? Enfin, pourquoi les particules ont-elles des masses spécifiques ? Ces questions — irrésolues pour l’heure — préoccupent les physiciens qui poursuivent donc ce rêve : bâtir une théorie qui engloberait et compléterait le modèle standard en résolvant de fait ces énigmes.

Autrement dit, une élaboration bien plus générale qui expliquerait le fonctionnement de l’Univers dans sa globalité. Or la prochaine particule qui se manifestera au Cern fera partie de ces pièces très rares qui aident à reconstituer le puzzle de cette physique « globale ». Et son apparition s’explique par une performance technique du LHC devenu depuis mai l’accélérateur de particules déployant le plus d’énergie au monde en atteignant sa puissance maximale de 13 téraélectronvolts (TeV). « Or 13TeV, c’est précisément l’énergie qui avait cours lorsque l’Univers était âgé de moins d’un milliardième de seconde », explique Yves Sirois.

Pour cela, des protons — c’est-à-dire des noyaux d’atomes d’hydrogène — sont accélérés dans l’anneau jusqu’à 99,99999 % de la vitesse de la lumière (299.800.km/s) où ils acquièrent une énergie cinétique faramineuse que les physiciens — qui ne manquent pas d’humour — ont convertie en « équivalent moustique » : soit l’énergie de l’insecte en plein vol, mais concentrée dans une particule 5.000 milliards de fois plus petite. Et c’est dans cet environnement que l’étrange anomalie à 750GeV est apparu.

Reste aux chercheurs à bien comprendre ce qu’ils ont vu. « Ses caractéristiques devraient nous indiquer dans quelle direction explorer pour bâtir cette théorie globale, nous montrer quelles hypothèses privilégier au détriment de quelles autres…», explique Bruno Mansoulié, de l’Institut de recherche sur les lois fondamentales de l’Univers (Irfu) du CEA, associé au détecteur Atlas.

Un travail ardu, car la nouvelle venue du LHC n’est, pour l’heure, pas très bavarde : elle n’indique pas une direction précise ni ne tranche en faveur d’une seule théorie. « La tâche est encore très difficile, reconnaît Pierre Fayet, du laboratoire de physique théorique de l’École normale supérieure. Car, faute de mesures suffisantes, nous ne savons pas encore, par exemple, si le spin de cette particule est de zéro ou de deux. »

Une phase intermédiaire où les idées ne cessent de fuser

Le spin est une des propriétés de ces particules subatomiques qui relèvent des règles étonnantes de la physique quantique, sans équivalent dans le monde classique qui nous est familier. Il décrit la manière dont une particule tourne sur elle-même, certaines hypothèses se trouvant autorisées ou interdites selon sa valeur.

Autre incertitude : les expérimentateurs n’ont vu la particule X se désintégrer que d’une seule manière, en une paire de photons, alors que les lois de la mécanique quantique sont telles que d’autres éléments pourraient également se former lors de la désintégration.« Sans compter que nous ne savons pas s’il s’agit d’une particule élémentaire ou d’un un état lié de plusieurs particules », note Pierre Fayet.

Les théoriciens aimeraient donc avoir plus de billes pour se prononcer sur X ! Mais dans l’excitation et l’impatience du moment, ils reconnaissent « se trouver actuellement dans cette phase intermédiaire où beaucoup d’idées fusent », se réjouit le chercheur.

Parmi elles, des hypothèses tout aussi époustouflantes que séduisantes, comme identifier la matière noire de l’Univers ou encore envisager des dimensions supplémentaires au cosmos. Mais tous gardent à l’esprit une dernière hypothèse, inavouée celle-ci : qu’aucune de ces solutions ne puisse expliquer l’existence de X et qu’il faille inventer… autre chose ! L’Univers serait bien plus surprenant que ce que notre cerveau est capable d’imaginer, et cette ultime éventualité plongerait les physiciens dans un vertige exaltant. Et même si l’hypothétique boson fond comme neige au soleil, le remue-méninges de ces quelques mois viendra enrichir la réflexion des théoriciens en physique.

Azar Khalatbari

sciencesetavenir.fr

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