Ces secrets de l’Univers qui résistent encore

Dossier par Guy Duplat Publié le - Mis à jour le

Sciences - Santé

Le magazine "Sciences et Avenir" l’a carrément qualifié de "découverte du siècle". Tous les journaux et magazines du monde lui ont consacré des manchettes et de longs commentaires. L’annonce, le 4 juillet, au Cern, que le boson de Higgs (en fait boson de Brout-Englert-Higgs, boson BEH) avait en fin été cerné et "attrapé" fut l’événement de l’été. Même le chroniqueur rigolo du "Nouvel Observateur", François Reynaert, ne s’y est pas trompé : "Le vrai people de l’été, écrit-il, ne sort pas d’une soirée mousse à Ibiza, mais d’un accélérateur de particules à Genève. Alors, osons le boson. " Le même fait remarquer la beauté du titre en "Une" du "Monde" qui disait que la petite particule insaisissable avait été attrapée "avec 99,9999 % de certitude". "Combien d’autres informations, dit-il, voit-on passer en ce moment qui ont pour elles la tristesse de l’absolu : celles qui sont 100 % bidon et celles qui sont 100 % sans intérêt. Et là, le petit doute en plus pour une avancée majeure. La classe."

Nous avons déjà souvent expliqué que ce "Graal" des physiciens était attendu depuis cinquante ans. Ce boson explique que les particules ont la masse qu’elles ont et donc le fait que nous existions. Sans lui, nous ne serions pas là. Il était la pièce manquante au modèle standard qui explique notre univers et ses forces.

Mais la question fut vite posée : qu’attendent maintenant les physiciens après avoir découvert enfin le boson ? Et que va-t-on encore chercher dans le somptueux (9 milliards d’euros) accélérateur LHC du Cern, un tunnel circulaire de 27 km de long enterré à 100 m de profondeur à la frontière franco-suisse près de Genève. Que vont faire maintenant les milliers de physiciens penchés sur les résultats des 600 millions de collisions à la seconde générés au cœur de leurs détecteurs grands comme des églises ?

Nous faisons le point, aujourd’hui et dans nos prochaines éditions, un mois après l’annonce de la découverte, avec Jean-Marie Frère, directeur du service de physique théorique à l’ULB. Son bureau est tout proche de celui de François Englert, codécouvreur du boson et possible prochain prix Nobel de physique.

1. Mieux "cerner" le boson. " C’est une chance que ce boson scalaire (l’autre nom du boson BEH) ait été découvert à une masse de 125 GeV (125 fois la masse du proton). Car ce qu’on mesure ce sont les produits de ses désintégrations possibles, car le boson lui-même a une durée de vie beaucoup trop courte pour être directement détecté. S’il avait eu une masse de 160 GeV, il se serait désintégré toujours selon la même voie (deux bosons W). Mais à 125 GeV, on sait qu’il y a au moins cinq modes de désintégration possibles (en deux bosons W, deux bosons Z, deux gammas, deux quarks b ou deux quarks t). La théorie prédit le taux de chaque mode de désintégration. En étudiant chacun, on peut vérifier que c’est bien le bon boson, vérifier la théorie ou l’affiner, connaître les propriétés de couplages du boson." Les chercheurs du Cern (et d’ailleurs) vont maintenant multiplier les analyses sur les bosons détectés, vérifier les taux de désintégration dans chaque canal possible. Le temps presse car le LHC devrait arrêter fin mars pour un an et demi, le temps de faire la maintenance, de vérifier les milliers de kilomètres de soudures et de repartir ensuite avec une puissance (luminosité) accrue. Jean-Marie Frère aime les comparaisons. Il décrit ce travail encore à faire comme suit : " C’est comme un commerçant de bonbons qui transmet son magasin à un ami et lui décrit le cas d’un client, jeune garçon, qui passe chaque jour. Il a une casquette sur la tête, il achète tel bonbon un jour et tel autre le lendemain, etc. Le repreneur peut alors vérifier si tout cela est bien correct pour être sûr que cet acheteur est bien celui désigné par son ami."

Mais fin août déjà, les articles scientifiques des deux expériences sur le boson au LHC (CMS et Atlas) seront publiés et Jean-Marie Frère n’exclut pas que le prix Nobel de physique puisse être attribué dès octobre prochain, aux deux théoriciens qui postulèrent le champ et le boson de BEH il y a cinquante ans (Robert Brout est mort) : François Englert et Peter Higgs. Ce serait le premier prix Nobel de physique belge !

Les chercheurs devront aussi déterminer si ce "boson scalaire" (autre nom du boson BEH) est bien, ou non, une particule élémentaire, insécable, non divisible en plus petites particules. Et s’il n’existe pas une série de bosons scalaires à des énergies plus hautes.

2. Une nouvelle machine ? Le LHC ayant d’abord été construit pour chercher le boson BEH, ne faut-il pas maintenant imaginer une nouvelle machine pour mieux étudier ce boson ? On réfléchit déjà à des machines géantes, linéaires (pour éviter les pertes par rayonnement à hautes énergies dans les machines circulaires), et qui étudierait des collisions électrons-positrons et non plus protons-protons, car les premières sont beaucoup plus "propres" que celles entre protons qui consistent à faire se rencontrer violemment, des "sacs" de quarks dans une explosion de collisions difficiles à bien étudier. On parle déjà d’un accélérateur linéaire ILC (International Linear Collider) à Stanford avec deux accélérateurs linéaires de 20 km de long, se faisant face. Ou le CLIC un projet de collisionneur linéaire, piloté par le Cern, mettant en œuvre des options plus "futuristes" que l’ILC mais un projet à plus long terme. On parle aussi d’un LEP-3 (le LEP était l’ancien collisionneur électron-positron qui se trouvait dans le tunnel du LHC). Pour Jean-Marie Frère, il est prématuré de décider déjà de ce collisionneur du futur. Il ne faudrait pas concevoir une telle machine simplement pour mieux étudier le boson qu’on vient de découvrir. "On peut encore découvrir bien des choses avec le LHC. On entre dans une période plus inconnue, excitante. Attendons d’avoir plus exploré les possibilités du LHC avant de définir les caractéristiques idéales d’un nouvel accélérateur."

3. La supersymétrie. C’est maintenant la "supersymétrie" qui est le "Graal" des physiciens. En guise de boutade ("mais pas seulement "), Jean-Marie Frère explique : "C’est une si belle symétrie qu’on ne pourrait pas imaginer que la nature l’ait oubliée." C’est vrai que la "beauté" guide souvent la physique comme nous le disait Englert : "L’idée des scientifiques a été de trouver, grâce à des théories unificatrices, un sentiment de l’ordre de l’esthétique, de la logique, de l’ultime simplicité des choses, au-delà bien sûr de la difficulté qui reste à expliquer ces lois unificatrices." Existe-t-il donc, pour chaque particule connue, "une superparticule" qui lui serait systématiquement associée et que nous n’aurions pas encore détectée ? Aux six quarks, aux six leptons (électron, muon, tau et neutrinos), aux cinq bosons, seraient donc associées autant de particules symétriques qu’on appelle parfois aussi des "sparticules". A l’électron serait ainsi associé un "sélectron". La différence entre les deux "familles" ? Dans le monde connu, les particules ont un spin (moment cinétique) entier ou demi-entier. Dans le monde supersymétrique, ils échangeraient ces spins ! En simplifiant, la supersymétrie permettrait aussi d’unifier de manière élégante, à très haute énergie, toutes les forces, y compris les interactions fortes. Le problème est qu’on n’a toujours pas trouvé la moindre trace de ces "sparticules"

4. La matière noire. La plus grande inconnue actuelle est celle de la masse de l’Univers. Toute la masse connue (des petits objets devant nous jusqu’aux galaxies lointaines et aux trous noirs) ne représente que 4 % de la masse totale. A côté, il y aurait 23 % de "matière noire" (on le sait en étudiant la rotation des galaxies et la formation des galaxies, qui ne peuvent être expliquées qu’en postulant des "poches" de matière noire invisible) et 73 % d’une mystérieuse énergie noire découverte il y a quatorze ans seulement et qui implique qu’on réintroduise dans nos modèles de l’Univers, une constante cosmologique prévue par Einstein et qui accélère l’expansion de l’Univers. Les particules supersymétriques pourraient être de bons candidats pour la matière noire. Mais on ne les trouve pas. Comment détecter cette matière noire qui nous traverse en permanence ? On évoque parfois l’existence d’un "neutralino" qui serait stable, massif et indétectable. Il nous traverserait par milliards à chaque instant.

5Les dimensions cachées de l’univers. On espère aussi trouver des arguments prouvant les grands modèles théoriques qui agitent les physiciens : les particules sont-elles des supercordes ? Notre univers a-t-il dix dimensions d’espace et pas trois comme le prévoit la théorie des cordes qui permettrait d’unifier la mécanique quantique et la relativité générale ? Qu’est-ce qui est à l’origine de la mystérieuse accélération de l’expansion de l’Univers qu’on enregistre pour l’instant ? Comment inclure la gravitation dans le modèle standard ? On cherchera en particulier, les "traces" de dimensions supplémentaires dans l’Univers. On espère voir des particules qui "s’échapperont" dans une autre dimension. Ce serait un sérieux indice de la validité de la théorie des cordes.

Suite dans nos prochaines éditions.

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