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Des indices de l’existence du boson de Higgs au LHC

Des responsables du CERN ont annoncé le 13 décembre 2011 des indices de l’existence du boson de Higgs dans deux expériences du LHC (Large Hadron Collider). Le détecteur ATLAS aurait mis en évidence l’existence possible du boson à une masse d’environ 130 fois celle d’un proton (126 GeV pour être précis) avec un niveau statistique de 2,3 sigma. Le détecteur CMS présente aussi une possible présence dans une gamme de masse similaire (plutôt autour de 124 GeV pour l’instant), mais à un niveau statistique plus faible de 1,9 sigma.

Le niveau de sigma est une façon de mesurer la probabilité qu’une observation soit purement due à la chance plutôt qu’à un phénomène sous-jacent réel. Plus le niveau de sigma est élevé, plus le résultat a des chances d’être l’indication d’un effet réel. Le niveau 2,3 sigma représente environ la chance d’une pièce de tomber six fois de suite sur le côté pile. Le niveau 5 sigma représenterait la chance de tomber vingt fois de suite sur le côté pile et c’est la limite admise généralement pour parler d’une découverte. Ces résultats, bien que très prometteurs, sont donc encore loin de pouvoir être classés comme une découverte.

ATLAS

Une vue de l’intérieur du détecteur ATLAS avec son calorimètre et ses huit aimants. Crédit : ATLAS Experiment/CERN

Le champ de Higgs

Le Modèle Standard, la description moderne des particules et forces qui peuplent l’Univers (à part la gravité), est un des triomphes de la physique moderne. Ses prédictions ont été validées par des accélérateurs de particules depuis des dizaines d’années. Mais un élément crucial reste encore à confirmer : l’origine de la masse des particules.

Le champ de Higgs est une explication de l’origine de la masse proposée par plusieurs physiciens en 1964, en particulier le britannique Peter Higgs qui lui a donné son nom. C’est l’explication la plus simple, mais pas la seule, et elle n’a pas été confirmée de matière expérimentale jusqu’à aujourd’hui, d’où le grand intérêt de l’annonce du CERN.

Pour donner une image simplifiée de cette explication, imaginez une congrégation de physiciens au début du siècle dernier. Une célébrité comme Albert Einstein entre dans la salle comble. Dès qu’il entre dans la salle, les physiciens les plus proches de lui vont se rapprocher. Einstein se déplace alors dans la salle. A chaque pas, les gens les plus proches vont se regrouper temporairement autour de lui et ceux qu’il laisse dans son sillage vont revenir à leur position normale. De cette façon, Einstein est toujours entouré d’une concentration de personnes, ce qui donne une certaine inertie à son mouvement. Il lui est plus difficile de ralentir son pas et, s’il s’arrête, il lui est plus difficile de se remettre en mouvement.

D’une façon similaire, le champ de Higgs emplit tout l’espace et interagit avec les particules élémentaires. Cette interaction se traduit par une résistance des particules aux changements de vitesse, ce qui est exactement la nature fondamentale de la masse.

Sans une interaction de ce type, les particules élémentaires auraient une masse nulle comme le photon et pourrait parcourir l’Univers à la vitesse de la lumière. Cet Univers serait très différent du nôtre, sans galaxies, étoiles, planètes ou vie. Confirmer l’existence du champ de Higgs est donc une étape nécessaire pour mieux comprendre l’Univers qui nous entoure et son développement après le Big Bang.

Le boson de Higgs

En mécanique quantique, tout champ est associé à une ou plusieurs particules. Par exemple, le champ électromagnétique est associé au photon. De la même façon, le boson de Higgs est la particule associée au champ de Higgs. On utilise le terme boson car cette particule obéit à la statistique de Bose-Einstein introduite en 1920 par le physicien indien Satyendranath Bose.

Le boson de Higgs est très instable et ne peut pas être détecté directement. C’est la raison pour laquelle des accélérateurs de particules sont nécessaires pour le découvrir.

Le LHC est un accélérateur de particules inauguré en 2008 près de Genève. Il s’agit d’un tunnel circulaire de 27 kilomètres de circonférence où deux faisceaux de protons sont accélérés par des champs magnétiques jusqu’à une vitesse proche de celle de la lumière. Les deux faisceaux se propagent dans des directions opposées et finissent par se rencontrer pour provoquer des collisions entre protons. Ces collisions donnent naissance à de nouvelles particules qui sont capturées par plusieurs détecteurs, en particulier ATLAS et CMS.

Les collisions de protons au sein du LHC vont ainsi parfois créer des bosons de Higgs qui existeront pendant une durée très brève avant de se désintégrer pour former des particules stables plus classiques et de masse plus faible. Les détecteurs du LHC ne peuvent pas observer le boson de Higgs directement, mais ils peuvent analyser le résultat final des collisions. L’intervention temporaire d’un boson de Higgs peut être détectée de façon indirecte en analysant le résultat final et en s’appuyant sur des hypothèses sur les étapes intermédiaires.

Les observations sont donc d’ordre statistique et les résultats actuels du LHC ne sont pas encore suffisamment précis pour annoncer officiellement une découverte. L’attente ne devrait cependant pas être très longue. D’après les physiciens du CERN, ces résultats préliminaires devraient être confirmés ou infirmés une fois pour toute dans quelques mois.

Départ réussi du rover Curiosity vers Mars

La mission Mars Science Laboratory (MSL), avec à son bord le rover Curiosity, a été lancée avec succès le samedi 26 novembre par une fusée Atlas V depuis Cap Canaveral en Floride. Le but de cette mission est d’étudier l’histoire géologique de Mars et de voir si les conditions étaient réunies dans un passé lointain pour permettre l’apparition d’une vie microbienne. La mission initiale est prévue pour durer 23 mois pendant lesquels le rover devrait parcourir une vingtaine de kilomètres.

Curiosity

Une vue d’artiste de l’arrivée sur Mars du module d’atterrissage transportant le rover Curiosity. Crédit : NASA/JPL-Caltech

Mars Science Laboratory est la mission robotique la plus ambitieuse de la NASA et a déjà coûté 2.5 milliards de dollars. Le rover Curiosity est un vrai laboratoire d’analyse : 900 kilogrammes, dont 80 kilogrammes pour dix instruments scientifiques, trois mètres de long, 2,7 mètres de large, 2,1 mètres de haut. Le rover pourra se déplacer grâce à six roues et à un générateur d’énergie nucléaire au plutonium, ce qui lui donnera plus d’autonomie que les panneaux solaires d’autres missions.

Curiosity dispose d’un bras télécommandé de 2.1 mètres de long qui lui permettra d’analyser le sol et les roches aux alentours, mais aussi de forer et de récolter des échantillons pour les autres instruments. Il possède un mât avec une caméra couleur stéréo et haute définition, ainsi qu’un laser capable de vaporiser la surface du sol jusqu’à une distance de sept mètres. Il pourra ainsi faire une analyse spectroscopique à distance et choisir les meilleures cibles. Le rover contient de nombreux autres instruments, caméra microscopique, spectromètre à rayons X, détecteur de neutrons, détecteur de radiation, station météorologique, spectromètre de masse, chromatographe, bref une vraie merveille.

La cible de Mars Science Laboratory est le cratère Gale, une formation de 154 kilomètres de diamètre avec un pic central de cinq kilomètres de haut, près de la région volcanique Elysium Planitia. Les sondes spatiales en orbite autour de Mars ont révélé dans ce cratère des indices d’une présence d’eau sous forme liquide il y a deux milliards d’années et des formations d’origine probablement sédimentaire.

L’arrivée sur Mars est prévue pour août 2012, après un voyage de huit mois et demi. Le rover est trop lourd pour utiliser la méthode des airbags des missions Spirit et Opportunity. Une technique beaucoup plus complexe et précise est donc nécessaire. Le freinage commencera avec les moyens habituels, bouclier thermique jusqu’à sept kilomètres d’altitude, puis parachute jusqu’à une altitude de deux mille mètres. A ce moment-là, un module d’atterrissage placé au-dessus du rover telle une grue volante va allumer des rétrofusées pour ralentir la chute de l’ensemble. Il descendra encore jusqu’à une dizaine de mètres du sol avant de se stabiliser et de lentement déposer le rover, roues déployées, à l’aide d’un treuil. Une manœuvre complexe et spectaculaire, sur une autre planète, à laquelle nous souhaitons plein de réussite.

Observation directe de la plus jeune exoplanète connue

Deux astronomes viennent d’annoncer l’observation de la plus jeune protoplanète connue à ce jour, en orbite autour l’étoile LkCa 15 à 450 années-lumière de nous dans la constellation du Taureau. La protoplanète, appelée LkCa 15 b, est encore entourée des restes du nuage local de gaz et de poussières qui lui a donné naissance. Sa masse est estimée à environ 6 fois celle de Jupiter et son âge à environ deux millions d’années. Auparavant, les protoplanètes observées étaient âgées de plus de dix millions d’années.

LkCa 15 b

A gauche, le disque de gaz et de poussière autour de l’étoile LkCa 15. On observe très bien le manque de matière dans une région centrale d’un diamètre d’environ 50 fois la distance Terre-Soleil. A droite, un gros plan de la région centrale qui montre la protoplanète et le petit nuage de matière qui l’entoure. L’étoile LkCa 15 a été complètement éliminée des images et sa position est indiquée par une petite étoile à droite. Crédit : Adam Kraus et Michael Ireland

Les observations ont été faites à l’un des deux télescopes de dix mètres de diamètre de l’observatoire Keck à Hawaï. Pour ce genre d’observation de détails peu lumineux autour d’une étoile brillante, l’ennemi principal de l’astronome est la turbulence atmosphérique, car elle étale l’image de l’étoile brillante et y noie les détails du disque environnant. Pour vaincre la turbulence atmosphérique, les deux astronomes ont fait appel simultanément à deux techniques.

D’abord l’optique adaptative qui consiste à installer un petit miroir déformable après le miroir principal du télescope. Lors de l’observation, un récepteur analyse à grande vitesse les déformations de la lumière de l’étoile introduites par la turbulence atmosphérique et change de forme rapidement pour compenser ces déformations.

La deuxième technique consiste à introduire un masque avec plusieurs trous sur la trajectoire des rayons lumineux dans le télescope. Ce masque bloque en partie les rayons, ne laisse passer la lumière qu’en des endroits bien définis, agit comme une sorte de mini-interféromètre et permet d’éliminer le bruit introduit par la turbulence de façon encore plus fine que l’optique adaptative.

Les premières observations scientifiques d’ALMA

L’observatoire ALMA vient de livrer ses premiers résultats scientifiques. ALMA (Atacama Large Millimeter Array) est une collaboration entre l’Europe, les États-Unis, le Canada, Taiwan, le Japon et le Chili. Il s’agit d’un réseau de radiotélescopes consacré à l’observation de l’Univers dans un domaine de longueur d’onde entre 0.3 to 9.6 millimètres, soit les domaines submillimétrique et millimétrique.

LkCa 15 b

Une image composite des galaxies des Antennes, NGC 4038 et NGC 4039, deux galaxies en collision dans la constellation du Corbeau. L’image principale est une superposition des observations d’ALMA et d’autres images prises dans les domaines visible et radio. L’image orangée à droite est le résultat des observations d’ALMA. Les deux longs bras en bleus sont formés d’étoiles et de poussières éjectées des deux galaxies lors de leur collision. Dans la partie centrale, les noyaux des deux galaxies sont en train de fusionner, un phénomène accompagné par une forte augmentation des naissances d’étoiles. Seules les observations dans le domaine submillimétrique peuvent révéler les nuages de gaz froid où naissent ces étoiles. Crédit : ALMA/HST/NOAO/AURA/NSF/NRAO/AUI

Dans sa configuration finale, en 2013, le réseau ALMA sera constitué de 66 antennes (54 de 12 mètres de diamètre et 12 de 7 mètres de diamètre), avec une séparation maximale de 16 kilomètres. L’image qui vient d’être publiée a été prise avec seulement 12 antennes. La qualité des observations dépend du nombre d’antennes et de leur distance mutuelle, les images vont donc s’améliorer au fur et à mesure que de nouvelles antennes viendront s’ajouter au réseau.

L’astronomie submillimétrique est un sujet particulièrement difficile car la vapeur d’eau de notre atmosphère absorbe fortement les ondes submillimétriques. Elle requiert donc un ciel très sec et un observatoire aussi élevé que possible. Les astronomes ont choisi pour construire ALMA un site sur le plateau de Chajnantor, dans le désert de l’Atacama au Chili, à 5000 mètres d’altitude.

Le domaine submillimétrique comprend les longueurs d’onde entre 0.3 et 1 millimètre et se trouve donc entre l’infrarouge et les ondes radio. Il permet d’observer des régions relativement froides, d’une dizaine à quelques centaines de degrés du zéro absolu, donc des zones plus chaudes que le rayonnement fossile mais beaucoup plus froides que les étoiles. Son sujet principal est le milieu interstellaire de la Voie Lactée et des autres galaxies, en particulier les nuages d’hydrogène moléculaire où naissent les étoiles. Il permet aussi d’étudier l’univers lointain, la formation des planètes et même les corps du système solaire.

Des neutrinos prétendent dépasser la vitesse de la lumière…

La théorie de la relativité restreinte d’Albert Einstein date de 1905 et ses prédictions ont toujours été vérifiées avec une très grande précision par toutes les expériences. L’un des principes de base de la relativité est le fait que la vitesse de la lumière est une barrière infranchissable. Les photons, qui n’ont pas de masse, se déplacent exactement à cette vitesse dans le vide. Toutes les autres particules, qui ont une masse non nulle, se déplacent moins rapidement.

L’article publié le 23 septembre par les chercheurs de l’expérience OPERA a donc provoqué un certain remous dans la communauté scientifique. Des particules élémentaires appelées neutrinos auraient en effet été observées se déplaçant plus vite que cette limite infranchissable.

Le neutrino

Le neutrino est une particule élémentaire, de masse très faible, mais non-nulle, et sans charge électrique. Il a été proposé pour la première fois d’un point de vue théorique en 1930, par le physicien Wolfgang  Pauli, pour expliquer le bilan énergétique  d’un certain type de radioactivité (la désintégration bêta). L’existence de la particule a été confirmée expérimentalement en 1956 par l’observation directe de neutrinos interagissant avec des protons.

Il existe trois types de neutrinos, le neutrino électronique, le neutrino muonique et le neutrino tau, qui correspondent à trois autres particules élémentaires, l’électron et ses deux cousins plus massifs, le muon et le tau. Les neutrinos sont capables, très rarement, de passer d’un type à l’autre, un phénomène appelé les oscillations de neutrinos. L’expérience OPERA a justement pour but d’étudier comment les neutrinos passent d’un type à l’autre, dans ce cas particulier de la forme muonique à la forme tau.

Pour cette expérience, les neutrinos muoniques  sont produits au super synchrotron à protons du CERN à Genève. Ils sont ensuite capturés et analysés à 730 kilomètres de là, par le détecteur OPERA du laboratoire national de Gran Sasso en Italie, enterré sous 1400 mètres de roches.

La vitesse de la lumière

Le résultat annoncé par l’équipe OPERA ne concerne pas les oscillations de neutrinos elles-mêmes, mais part d’un constat beaucoup plus simple. En analysant la durée du trajet, les physiciens ont découvert avec stupéfaction que les neutrinos semblent se déplacer plus vite que la lumière.  Le temps de parcours a été déterminé très précisément et il est 60 milliardièmes de seconde plus court que la durée prévue, ce qui correspond à environ 20 mètres en distance.

D’un point de vue statistique, il n’y a pas de doute sur la précision des résultats. D’autres  effets possibles, comme des mouvements de l’écorce terrestres ou des incertitudes dans l’électronique des détecteurs ont aussi été pris en compte, mais l’équipe d’OPERA n’a pas à l’heure actuelle d’autre explication qu’un dépassement de la vitesse de la lumière.

La relativité d’Einstein est une théorie qui a toujours été confirmée par les observations. Pour citer un exemple relativement récent,  lors de l’explosion de la supernova SN 1987A, les neutrinos et les photons créés par le cataclysme stellaire ont mis exactement le même temps pour nous atteindre, ce qui contredit les résultats d’OPERA.

En fait, le résultat tellement surprenant que les chercheurs d’OPERA sont eux-mêmes sceptiques et la publication de cet article est plutôt une invitation aux autres chercheurs à essayer de trouver une faille dans les mesures et à encourager des expériences indépendantes.

Si aucune faille ne peut être trouvée et d’autres expériences confirment le résultat, il faudra bien accepter sa validité et chercher une explication. Plusieurs théories sont d’ailleurs déjà évoquées, des dimensions supplémentaires de l’espace-temps, des trous de ver, des effets quantiques,  mais il est probablement un peu tôt pour s’aventurer sur ce terrain.