Les physiciens du LHC ont-ils détecté une nouvelle particule ? Peut-être…

Grand collisionneur de hadrons au CERN, près de Genève. Image Editor/Flickr, CC BY

Début décembre 2015, la rumeur de la découverte d’une nouvelle particule au Grand collisionneur de hadrons (LHC) s’est répandue sur Internet et dans les cafétérias des laboratoires de physique. Après trois ans de recherches sans succès dans la foulée de la découverte du boson de Higgs, était-ce le premier signe de la nouvelle physique que les spécialistes cherchent désespérément à identifier ?

Jusqu’au 14 décembre, rien n’a filtré des travaux des chercheurs du LHC. Ce jour-là, au grand auditorium du CERN, une réunion de physiciens venus écouter les présentations de leurs collègues sur les projets CMS et Atlas (les deux détecteurs géants de particules qui ont découvert le boson de Higgs) a fait salle comble. Même chez ceux qui assistaient à la conférence par Internet, l’excitation était palpable.

Une nouvelle ère était-elle sur le point d’ouvrir ? La réponse est… peut-être.

Un pic plutôt curieux

La séance a commencé par les résultats du CMS. Comme d’habitude, les spécialistes ont présenté toute une série de mesures qui ne laissaient pas entrevoir la moindre trace de nouvelle particule. Et puis, dans les dernières minutes, les courbes ont fait état d’un pic peu prononcé mais intrigant qui suggérait la désintégration possible d’une nouvelle particule lourde en deux photons (particules de lumière). Ce pic affichait une masse d’environ 760 GeV (le GeV, gigaélectronvolt, soit un milliard d’électrons-volts est l’unité de masse et d’énergie utilisée en physique des particules – la masse du boson de Higgs est d’environ 125 GeV) mais le signal était bien trop faible pour être probant. Atlas confirmerait-il cette hypothèse ?

Les résultats d’Atlas reflétaient l’absence d’événements constatés par le CMS, sauf vers la fin, où l’on observait un pic similaire, proche de l’endroit où le CMS avait détecté les 750 GeV. Plus prononcé, le signal était cependant trop ténu pour être statistiquement fiable. Mais qu’il ait été repéré indépendamment sur ces deux expériences est à lui seul exaltant.

La découverte du boson de Higgs, en 2012, a conforté le Modèle standard, qui est actuellement la théorie la plus satisfaisante en physique des particules, même si elle continue à susciter de nombreuses interrogations. Celles-ci concernent notamment la matière noire (une substance invisible constituant 85 % de l’univers), la faiblesse de la force de gravité, et la façon dont les lois de la physique semblent avoir été conçues pour permettre l’apparition de la vie, pour ne citer que quelques-unes des questions ouvertes.

Une nouvelle théorie de la physique pourra-t-elle un jour nous en dire plus sur la matière noire nichée dans les amas galactiques ? NASA/Wikipédia

Plusieurs théories tentent d’expliquer ces phénomènes, la plus en vogue étant la supersymétrie. Celle-ci postule qu’à chaque particule du modèle standard est associée une particule « superpartenaire », plus lourde. Cette théorie s’accorde avec des lois de la physique à la fois simples et parfaitement fonctionnelles et pourrait expliquer la présence de matière noire.

La supersymétrie prédit l’existence de nouvelles particules détectables par le LHC. Cependant, en dépit des espoirs générés au cours de sa première période d’exploitation (2009-2013), le grand collisionneur n’a révélé qu’un désert subatomique peuplé du seul boson de Higgs. Déçus, de nombreux théoriciens de la supersymétrie en sont venus à penser que nous ne trouverions peut-être jamais les réponses aux questions fondamentales que nous nous posons sur la physique.

L’été dernier, les 27 km du LHC ont été remis en service après deux ans de travaux visant à doubler l’énergie des collisions. Cette puissance devait permettre la production, jusqu’alors impossible, de particules plus lourdes. Les physiciens attendaient donc avec impatience les premiers résultats de ces travaux, et l’existence potentielle d’une nouvelle particule est particulièrement bienvenue.

Un cousin du boson de Higgs ?

« Si le pic donne bien naissance, en se décomposant, à deux photons, il s’agit forcément d’un boson, sans doute un boson de Higgs », indique Andy Parker, directeur du Laboratoire Cavendish de Cambridge, l’un des principaux collaborateurs de l’expérience Atlas. « De nombreux modèles, dont la supersymétrie, prédisent des Higgs supplémentaires ».

Plus enthousiasmant encore, il pourrait s’agir d’une forme de graviton, une particule hypothétique liée à la gravité. Les gravitons sont postulés dans les théories qui évoquent davantage de dimensions que les trois que nous connaissons (hauteur, longueur, profondeur).

Les physiciens restent néanmoins prudents. La confirmation ou l’infirmation de ce signal nécessite davantage de données. Andy Parker qualifie ces résultats de « préliminaires et non probants » mais ajoute « que, dans l’hypothèse où ils constitueraient le premier indice d’une physique hors modèle standard, ce serait – rétrospectivement – un événement historique ».

Que l’existence de cette nouvelle particule se confirme ou non, chacun s’accorde à dire que 2016 sera une année passionnante pour la physique des particules.

L’histoire du LHC, un documentaire Arte.

Traduit par Julie Flanère pour Fast for Word.

This article was originally published in English