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Dans les yeux du boson de Higgs


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Dans les yeux du boson de Higgs

Laurent Chevalier Laurent Chevalier, physicien des particules au CEA-Saclay, participe à Atlas, une des expériences qui a observé le 4 juillet au CERN à Genève le boson de Higgs. Il nous livre son expérience et ses émotions.

Vous avez pris part à cette formidable aventure. Pouvez-vous nous décrire votre cadre de travail, de recherche ?

Je travaille depuis 18 ans pour Atlas, l’une des 5 expériences du collisionneur LHC, dont l’objectif était de concevoir un détecteur. Je fais partie de l’équipe depuis le début. Ce détecteur est une somme de sous-détecteurs. J’ai travaillé sur l’un d’eux, le spectromètre à muons, dont la précision atteint 40 microns mètres.


Le positionnement du détecteur ATLAS sur le LHC

Ce spectromètre n’est qu’une partie d’Atlas : il y a des calorimètres, des détecteurs à trace, des détecteurs de données d’extrême précision, comme le détecteur le plus proche du point d’interaction, le pixel detector qui fait 80 cm de long et qui comporte plus de 80 millions de voies d’électronique !

Pour l’autre principal détecteur du LHC, CMS, c’est la même chose, mais ce sont d’autres technologies qui ont été employées. C’est d’ailleurs pour cela que c’est important d’avoir les deux expériences : elles ont mesuré le même objet, les mêmes événements. Et je dirais, le même boson de Higgs, avec deux technologies totalement différentes. C’est comme si d’un côté, on utilisait un mètre à ruban et de l’autre un laser pour mesurer une distance.

Le travail conjoint de milliers de personnes a pu mettre au jour un objet qui a toutes les caractéristiques du boson de Higgs. Mais sera-t-on un jour sûr à 100% de son identité ?

Deux équipes du CERN, Atlas et CMS, ont été capables d’observer un excès de données dans un endroit attendu. Dans les faits, que s’est-il passé ? Les deux expériences Atlas et CMS ont observé une nouvelle particule. Aux erreurs de mesures près, cette particule a les caractéristiques du boson de Higgs du modèle standard. Elle est compatible avec celle-ci. Mais dire s’ il s’agit vraiment du boson de Higgs du modèle standard ou d’un boson de Higgs d’une théorie qui englobe le modèle standard – comme le modèle supersymétrique par exemple – , c’est difficile à dire, nous allons l’étudier.

En physique des particules, le modèle standard est une théorie qui décrit l'ensemble des particules élémentaires qui composent la matière, ainsi que leurs interactions.

Nous avons un premier résultat qui est une cohérence quasi parfaite avec le cadre théorique dans lequel on vit, celui qui décrit la nature telle qu’elle est comprise aujourd’hui. Mais aujourd’hui, je n’ai aucune idée du temps nécessaire pour donner une réponse sûre à 100% sur la particule que nous avons observée ce 4 juillet. Il va falloir étudier cette nouvelle particule pour pouvoir répondre.

C’est donc un point de départ ? Un début de la « bascule » de la théorie vers l’observation ?

C’est effectivement un point de départ, mais pour moi il s’agit plus d’une marche. Nos mesures nous conduisaient à penser qu’il devait y avoir quelque chose. Mais c’est comme tout, ce n’est pas parce que nous devions voir quelque chose que nous devions le voir effectivement ! Aujourd’hui, nous pensions voir quelque chose et tout d’un coup on le voit ! On le voit à l’endroit où on l’attend avec les caractéristiques que l’on attend. On est donc vraiment monté d’une marche. Mais il y a un escalier assez long avant d’arriver à la compréhension totale de l’Univers tel qu’il est aujourd’hui !

Est-on uniquement dans le cadre de la recherche fondamentale ou voyez-vous à terme des applications industrielles ?

Cette découverte, c’est purement une découverte de connaissance, de compréhension de la nature. Il faut appréhender la recherche fondamentale comme une amélioration de la connaissance. La recherche profite toujours, à un moment donné, à tout le monde. Ce n’est pas en travaillant sur la bougie, que l’électricité a été découverte. Il faut toujours améliorer nos connaissances de la nature en étant le plus rationnel et le plus précis possible. Dans l’histoire de l’humanité, toutes les recherches fondamentales n’ont évidement pas donné immédiatement un résultat tangible, utilisable par tous. Mais à terme, la recherche fondamentale produit toujours des retombées que nous utilisons tous les jours. Par exemple, lorsque James Clerk Maxwell, en 1864, à plus ou moins décrit l’électromagnétisme, il ne pensait sans doute pas qu’un jour l’on puisse, grâce à ses équations, utiliser des téléphones portables. Quand le CERN a développé le premier accélérateur dans le tunnel du LHC, le LEP, tous les physiciens de la planète ont eu besoin de communiquer en permanence pour discuter, pour se contredire et pour essayer d’avancer. Et pour cela, le CERN à mis au point le web ! Aujourd’hui je pense qu’il y a une partie non négligeable de l’économie mondiale qui fonctionne grâce au web. Evidement, ce n’était pas le but, mais c’est un produit dérivé qui a eu un impact économique monstrueux. Si le CERN, je ne sais pas, pouvait récupérer 10 ou 9 centimes sur chaque transaction financière effectuée sur la toile, nous n’aurions plus de problème pour faire de la recherche fondamentale !

D’après vous, les limites de l’infiniment petit sont-elles atteintes ?

Notre travail consiste à comprendre la nature. Cette nature est constituée de matière. Cette matière est constituée d’atomes, eux mêmes constitués d’autres éléments, comme les particules élémentaires… Est-ce que ca continue après, comme dans une poupée gigogne ? Je ne sais pas !

Comment avez-vous vécu cette journée un peu particulière ?

C’était très agréable! Tout le monde veut parler avec vous de la physique des particules. En général je vous avouerais que les gens ne me parlent pas naturellement de mon travail ! Ils ont un a priori négatif, je ne sais pas pourquoi ! Ce 4 juillet est un jour spécial, la plupart des gens semblent beaucoup plus intéressés par ce que je fais !

Vous naviguez dans des sphères d’une telle abstraction. C’est effrayant pour le commun des mortels…

Je n’en suis pas certain. Peut-être est-ce un défaut de notre part… C’est peut-être une question de vocabulaire. Si l’on se met d’accord sur le vocabulaire, ce n’est pas si compliqué que cela en a l’air ! Mais il faut être honnête, si demain quelqu’un me parle chinois, je ne vais rien comprendre !

Illustration de l’article : un candidat boson de Higgs se désintégrant en quatre électrons, enregistré par ATLAS en 2012.

Représentation d'une collision proton-proton au LHC en 2011
Représentation d’une collision proton-proton au LHC en 2011 (7 TeV dans le centre de masse).
Le détecteur Atlas est représenté partiellement, on reconnait les bobines du toroïde (gris) les supports d’Atlas (marron) ainsi qu’une partie des calorimètres hadroniques (bleu) et des calorimètres électromagnétiques (vert) et enfin proche du point d’interaction le trajectographe interne.
Les quatre traces bleues représentent le passage de quatre muons produits lors de cette collision.les traces jaunes les residus des collision proton/proton. © Laurent Chevalier

Vincent Coste

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