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Le boson de Higgs a été découvert par les collaborations ATLAS et CMS au CERN en 2012, presque 50 ans après la première hypothèse à son sujet. Mais pourquoi cette découverte a-t-elle pris si longtemps ?
Sa masse étant équivalente à plus de 120 fois celle d’un proton, le boson de Higgs vient au deuxième rang des particules les plus lourdes connues à ce jour. En raison de sa masse importante et de sa durée de vie extrêmement courte (de 10-22 secondes), la particule est indécelable dans la nature.
Pour vérifier son existence, il a fallu la produire en laboratoire. Le premier collisionneur de particules capable de produire des quantités significatives de bosons de Higgs est le Grand collisionneur de hadrons (LHC), dont le programme de collisions à haute énergie a démarré en 2010.
Une aiguille dans une botte de foin
La production de la nouvelle particule n’est toutefois que la première étape. Compte tenu de sa durée de vie, le boson de Higgs se désintègre presque immédiatement en d’autres particules. Il n’est donc pas possible de l’observer directement. Les particules issues de la désintégration du boson sont les seules traces de son existence ; elles doivent être détectées et mesurées précisément grâce à des détecteurs de particules.
Après détection des produits de sa désintégration, l’étape suivante consiste à déterminer s’il est possible d’affirmer que le boson de Higgs a été produit. Le problème est que ce boson se désintègre en particules du même type que celles produites en abondance au cours des collisions de particules. Si l’on repère une paire de photons (l’un des états finaux de la désintégration du boson de Higgs), cela ne prouve pas que le boson de Higgs existe et a été produit lors de l’expérience. C’est d’autant plus vrai que le boson de Higgs n’est créé qu’une fois sur un milliard dans ces collisions.
Les scientifiques doivent donc disposer d’un moyen pour déterminer quand une paire de photons (ou quatre muons, ou tout autre état final du boson de Higgs) provient de la désintégration d’un boson de Higgs et quand ce n’est pas le cas.
Il est possible de repérer l’aiguille dans la botte de foin, mais de façon indirecte. En d’autres termes, il n’est pas possible de voir l’aiguille, mais on peut vérifier qu’elle est quelque part dans la botte de foin.
Les dés sont pipés
Il est impossible de savoir précisément au cours de quelle collision le boson de Higgs a été produit, mais le fait qu’il a été produit peut être confirmé avec certitude d’après l’analyse d’un nombre de collisions suffisant. Voici comment on procède :
- Lorsque tous les produits de la désintégration sont détectés et que leurs propriétés sont mesurées, il est possible de calculer, à partir de ces mesures, une quantité appelée « masse invariante ».
- Cette masse invariante sera égale (ou quasiment égale, compte tenu de la précision de la mesure dans le détecteur de particules) à la masse du boson de Higgs, mais uniquement pour les particules provenant de la désintégration de celui-ci.
- Pour les particules issues d’autres sources, la masse sera différente à chaque fois. En général, ce sera un nombre aléatoire parmi différentes masses possibles.
- Cela donne lieu à un cocktail bien particulier de résultats : dans la majorité des cas, la masse est un nombre aléatoire, mais dans certains cas (très rares), il s’agit d’une valeur fixe qui est toujours identique. Imaginez lancer un dé un très grand nombre de fois, mais avec une petite particularité : la plupart des lancers sont normaux, mais de temps en temps, quelqu’un manipule furtivement le dé de façon à obtenir un nombre prédéfini qu’il a choisi. Le chiffre trois, par exemple. Si cette séquence est reproduite un grand nombre de fois, l’intervention du tricheur peut être observée simplement d’après les résultats. En temps normal, la probabilité d’obtenir chaque face possible d’un dé est identique, mais dans la situation décrite, l’une des faces aurait une probabilité de « sortir » légèrement supérieure à celle des autres.
Le dernier élément nécessaire est l’analyse statistique des résultats. Qu’il s’agisse de la masse invariante ou des lancers de dés, le signal que nous recherchons peut être visualisé dans un histogramme des résultats, sur lequel ce signal apparaît comme un excédent (ou un « pic ») à un emplacement spécifique. Pour que l’on puisse affirmer qu’un pic est présent, deux conditions doivent être remplies : le pic doit être suffisamment élevé et le nombre total de résultats doit être suffisamment important.
Cinq sigma
Qu’entend-on par « suffisamment» ? C’est la science statistique qui nous donne la réponse : pour un excédent spécifique dans un échantillon de données spécifique, il est possible de calculer la probabilité qu’un excédent de cette taille soit le fruit du hasard.
On s’accorde généralement pour dire qu’un excédent correspond à une découverte lorsque cette probabilité est d’environ 1 sur 3,5 millions, ce qui correspond à un excédent de 5 écarts-types au-dessus de la valeur attendue, soit les fameux « 5 sigmas ».
Le 4 juillet 2012, les collaborations ATLAS et CMS atteignaient ce seuil de 5 sigmas : une nouvelle particule aux caractéristiques compatibles avec celles du boson de Higgs tant attendu avait été découverte.