Le plus grand briseur d'atomes au monde pourrait aider à expliquer d'où vient la masse

  • Phillip Hopkins
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Aujourd'hui est une bonne journée pour la physique.

Deux nouveaux résultats publiés aujourd'hui (4 juin) ont montré que le boson de Higgs apparaît avec la particule la plus lourde jamais découverte. Et les résultats pourraient nous aider à mieux comprendre l'un des problèmes les plus fondamentaux de la physique - pourquoi la matière a une masse.

Les résultats ont été publiés lors de la conférence Large Hadron Collider Physics 2018 à Bologne, en Italie. La découverte a été réalisée indépendamment par deux expériences (A Toroidal LHC Apparatus, ou ATLAS, et Compact Muon Solenoid, ou CMS) en utilisant des données enregistrées au Large Hadron Collider (LHC), situé au laboratoire du CERN en Suisse. Ces résultats sont accessibles au public dans deux articles, l'un vient d'être soumis pour publication et l'autre vient de paraître.

Chasse à la masse

La chasse aux Higgs et les origines de la masse ont une histoire fascinante. En 1964, plusieurs groupes de scientifiques, dont le physicien britannique Peter Higgs et le physicien belge François Englert, ont prédit que la masse des particules subatomiques fondamentales provenait d'interactions avec un champ d'énergie maintenant appelé le champ de Higgs. Le champ d'énergie imprègne l'univers. Les particules qui interagissent davantage avec le champ sont plus massives, tandis que d'autres interagissent peu avec le champ, et certaines pas du tout. Une conséquence de cette prédiction est qu'une particule subatomique appelée boson de Higgs devrait exister. [6 Implications de la découverte du boson de Higgs]

Après près de 50 ans de recherche, des chercheurs du LHC ont trouvé le boson de Higgs en 2012. Pour leur prédiction réussie, Higgs et Englert ont partagé le prix Nobel de physique 2013.

La particule subatomique fondamentale la plus lourde connue est le quark top, découvert en 1995 au Fermilab, situé juste à l'ouest de Chicago. Il existe six quarks connus. Deux sont stables et se trouvent au centre des protons et des neutrons. Les quatre autres sont instables et ne sont créés que dans les grands accélérateurs de particules. Un seul quark top a une masse comparable à un atome de tungstène.

Mesure insaisissable

Dans l'annonce d'aujourd'hui, les scientifiques ont décrit une classe de collisions dans laquelle une paire matière / antimatière quark top a été créée simultanément avec un boson de Higgs. Ces collisions permettent aux scientifiques de mesurer directement la force d'interaction entre les bosons de Higgs et les quarks top. Parce que l'interaction d'une particule avec le champ de Higgs est ce qui donne à une particule sa masse, et parce que le quark top est la particule subatomique fondamentale la plus massive, le boson de Higgs interagit le plus fortement avec le quark top. En conséquence, les interactions de ce type sont un laboratoire idéal pour faire des études détaillées sur les origines de la masse.

Cette mesure était particulièrement difficile. La découverte du boson de Higgs en 2012 n'a impliqué qu'une poignée de collisions. Les collisions dans lesquelles les bosons de Higgs et les quarks supérieurs sont produits simultanément ne se produisent que dans 1% des collisions dans lesquelles un boson de Higgs est produit. Lorsqu'on inclut la grande variété de façons dont les quarks top peuvent se désintégrer, cette analyse a nécessité des dizaines d'analyses indépendantes, impliquant des centaines de chercheurs. Les analyses ont ensuite été combinées en une seule mesure. C'était une réalisation très difficile.

Avant cette mesure, il n'était pas possible de mesurer directement la force d'interaction d'un quark top et de bosons de Higgs. Les bosons de Higgs ont une masse de 125 GeV (milliards d'électrons volts) et le quark supérieur a une masse de 172 GeV. Ainsi, une paire quark / antiquark top a une masse de 344 GeV, ce qui est supérieur à la masse du boson de Higgs. Il est donc impossible pour un boson de Higgs de se désintégrer en une paire quark / antiquark top. Au lieu de cela, une paire quark / antiquark top est créée et l'une de ces deux particules émet un boson de Higgs. Chaque quark supérieur se désintègre en trois particules et le boson de Higgs se désintègre en deux. Ainsi, après la désintégration des particules, il y a huit produits de désintégration différents trouvés dans le détecteur, qui doivent être correctement attribués. C'est un ensemble de données très complexe. [Quarks et muons étranges, Oh mon Dieu! Les plus petites particules de la nature disséquées]

C'est aussi un type d'interaction très rare. Les scientifiques ont passé au crible un quadrillion (10 élevé à la puissance 15) de collisions entre des paires de protons pour identifier une poignée de collisions avec les caractéristiques requises.

Mystères résiduels

Alors que la découverte du boson de Higgs et les mesures ultérieures amènent les chercheurs à croire que la théorie écrite pour la première fois en 1964 par Higgs et Englert et d'autres est correcte, il reste quelques mystères résiduels importants. Parmi eux: pourquoi le boson de Higgs a-t-il la masse qu'il a? Et pourquoi y a-t-il un champ de Higgs? Tout d'abord, le fait que la théorie de Higgs n'est pas motivée par un cadre théorique plus profond. Il est simplement ajouté. Dans sa forme la plus simple, le modèle standard (qui est la théorie principale des interactions subatomiques) prédit que toutes les particules subatomiques fondamentales sont sans masse. Ceci est en contradiction directe avec les mesures. La théorie de Higgs est ajoutée, un peu comme un pansement théorique, au modèle standard. Parce que la théorie de Higgs peut expliquer la masse de ces particules, la théorie de Higgs a maintenant été subsumée dans le modèle standard.

Mais c'est toujours un pansement, et c'est une situation peu satisfaisante. Peut-être qu'en étudiant les interactions entre les bosons de Higgs et les particules avec lesquelles ils interagissent le plus fortement, nous découvrirons un comportement qui pointe vers une théorie sous-jacente plus profonde et plus explicative..

De plus, la valeur numérique de la masse du boson de Higgs est un peu un mystère. Le champ de Higgs donne de la masse aux particules subatomiques fondamentales, y compris le boson de Higgs lui-même. Cependant, l'histoire est plus complexe que cela. En raison des effets de la mécanique quantique, le boson de Higgs peut se transmuter temporairement en d'autres particules subatomiques, y compris le quark top. Alors que le boson de Higgs est dans cet état transmuté, ces particules temporaires peuvent interagir avec le champ de Higgs et ainsi modifier indirectement la masse du boson de Higgs. Lorsque ces effets sont pris en considération, la masse prévue et mesurée du boson de Higgs est en désaccord sauvage. C'est un mystère pressant pour la physique moderne et, espérons-le, de meilleures mesures des interactions des bosons de Higgs éclaireront cette énigme..

Bien que l'annonce d'aujourd'hui n'implique qu'un petit nombre de collisions dans lesquelles des quarks top et des bosons de Higgs sont créés, à l'avenir, il sera possible d'étudier ce processus avec une bien plus grande précision. Le LHC fonctionne à merveille, mais à la fin de 2018, il n'aura fourni que 3% des données qu'il devrait fournir. À la fin de 2018, le LHC sera fermé pendant deux ans pour des mises à niveau et des rénovations. En 2021, le collisionneur reprendra ses opérations avec vengeance, jusqu'en 2030. Au cours de cette période, les scientifiques s'attendent à enregistrer 30 fois plus de données que celles qui auront été collectées d'ici la fin de cette année..

Il est difficile de savoir ce que nous trouverons. Le LHC et les détecteurs associés sont des éléments technologiques extraordinaires et il est en fait probable qu'ils fourniront encore plus de données que prévu. Avec autant de données, il est fort possible que les scientifiques découvrent un nouveau phénomène qui n'a pas été découvert, mais qui exigera que nous réécrivions les manuels. Ce n'est pas une garantie, mais une chose est sûre: l'annonce d'aujourd'hui trace un chemin clair pour mieux comprendre les origines de la masse.

Note de l'éditeur: Don Lincoln est chercheur en physique au Laboratoire Fermi. Il est l'auteur de "The Large Hadron Collider: The Extraordinary Story of the Higgs Boson and Other Stuff That Will Blow Your Mind" (Johns Hopkins University Press, 2014), et il produit une série de vidéos sur l'enseignement des sciences. Suivez-le sur Facebook. Les opinions exprimées dans ce commentaire sont les siennes.




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