Imaginez que vous venez d’arriver sur une planète d’un autre système solaire. Soudain, cinq minutes après avoir atterri, vous apercevez une forme de vie extraterrestre. C’est une découverte incroyable ! Vous pourriez bien passer des décennies à essayer de comprendre cet être exotique, à sonder ses propriétés et à enquêter sur la façon dont il est arrivé là. En même temps, vous vous attendez à ce qu’il puisse y avoir d’autres créatures fascinantes, peut-être encore plus intrigantes que la première et peut-être beaucoup plus difficiles à apercevoir.
C’est ce que ressentent les physiciens des particules alors que nous entamons une nouvelle phase, appelée Run 3, dans l’accélérateur de particules le plus puissant du monde : le Large Hadron Collider (LHC) au CERN près de Genève. Ce mois-ci marque le 10e anniversaire de la découverte du boson de Higgs, une particule longtemps recherchée qui avait été prédite près de 50 ans plus tôt. Le LHC a été construit pour trouver le boson de Higgs et il l’a fait. Son prochain objectif est de trouver des indices pour nous aider à déchiffrer d’autres mystères non résolus. Bien que la machine n’ait pas encore découvert d’autres nouvelles particules fondamentales – en particulier les particules supersymétriques espérées que les théories populaires prédisaient et qui pourraient encore exister – depuis le boson de Higgs, l’avenir au LHC est prometteur. Nous avons de nombreuses nouvelles pistes à explorer et de nombreuses raisons d’être optimistes.
La découverte du boson de Higgs, qui a eu lieu quatre ans seulement après l’ouverture du LHC, a été un coup de chance : la détection de la particule aurait pu prendre beaucoup plus de temps, ou nous ne l’aurions peut-être jamais trouvée. La masse de la particule n’était peut-être pas dans la plage accessible au collisionneur, ou elle n’a peut-être pas suffisamment interagi avec d’autres particules pour être produites dans les collisions du LHC. Il n’a peut-être même pas existé du tout. Et la nature était encore plus gentille : pour des raisons que nous ne comprenons pas encore, elle a fait en sorte que la masse du boson de Higgs soit 125 fois la masse d’un proton, une valeur qui provoque la désintégration du Higgs à des taux similaires à ceux de la plupart des particules que nous connaissons. Cette propriété facilite l’exploration de la façon dont le boson de Higgs communique avec ces autres particules et ouvre de nombreuses opportunités pour rechercher l’inattendu.
Le boson de Higgs était le dernier élément du modèle standard de la physique des particules, notre principale théorie des propriétés et des interactions entre les éléments fondamentaux de la nature. Cependant, une grande partie de la physique des particules ne rentre pas dans ce modèle. L’état actuel de notre domaine donne l’impression d’essayer de comprendre la science de la cuisine alors que tout ce que vous avez est une bonne compréhension de la théorie de la façon dont l’eau bout. Le modèle standard est silencieux sur la matière noire et même sur la force de gravité. Les neutrinos sont là, mais leurs minuscules masses sont inconnues. La matière ordinaire est là mais sans explication sur la façon dont elle a prévalu sur l’antimatière après le big bang. Le boson de Higgs est là, mais sans tenter d’expliquer pourquoi le champ d’énergie invisible de Higgs s’est activé dans l’univers primitif pour donner de la masse à d’autres particules – ou pourquoi leurs masses sont aussi différentes que celles d’une fourmi et d’une baleine ou pourquoi le boson de Higgs s’est donné une masse qui place l’univers actuel au bord de l’instabilité cosmique.
Le LHC a été conçu comme une machine de découverte pour nous aider à répondre à ces questions, et heureusement pour nous, il a encore 20 ans devant lui avant de s’arrêter. Les détecteurs phares du collisionneur – ATLAS et CMS – sont devenus des expériences assez différentes dans la phase 3 de ce qu’elles étaient il y a 10 ans. Les deux ont reçu des technologies améliorées, et une nouvelle génération de scientifiques talentueux poursuit de nouvelles idées sur la façon d’entrevoir ce qui peut être là-bas. Dans le Run 3, toutes les expériences du LHC s’enfonceront dans des territoires jusque-là inexplorés sur plusieurs fronts. Je tremble d’excitation à l’idée de ce qui m’attend.
Nous avons déjà été en mesure de produire plusieurs milliers de bosons de Higgs au LHC et nous nous efforçons maintenant de détecter les moyens plus rares par lesquels la particule peut être produite puis se désintégrer en d’autres particules. Il y a de nombreuses chances de surprises, soit dans des mesures de précision qui peuvent montrer que le Higgs est produit ou se désintègre quelque peu différemment des prédictions de notre modèle standard, soit par l’observation de phénomènes exotiques liés au Higgs. Par exemple, le boson de Higgs pourrait se désintégrer en matière noire, ou les désintégrations de Higgs pourraient violer la symétrie attendue entre la matière et l’antimatière.
Jusqu’à présent, nous n’avons vu que des collisions produisant un seul boson de Higgs à la fois. Mais nous pensons qu’il devrait également être possible de produire deux bosons de Higgs en une seule collision. Cette production de “di-Higgs” nous donnerait une fenêtre directe sur la façon dont le champ d’énergie de Higgs s’est activé après le big bang, car il s’agit d’une mesure directe de la force avec laquelle le boson de Higgs, et donc le champ d’énergie de Higgs, interagit avec lui-même. Le modèle standard prédit que les collisions produisant deux bosons de Higgs se produiront à un rythme fini mais infime, suggérant que ce processus deviendra détectable vers la fin de la durée de vie du LHC. C’est une perspective passionnante, mais il n’y a pas non plus de raison impérieuse de croire aux détails de cette prédiction : le modèle standard ne prétend pas connaître les origines du boson de Higgs ou comprendre les mécanismes du champ de Higgs invisible dans l’univers primitif. Un signal di-Higgs pourrait potentiellement être vu plus tôt, lors de l’exécution 3, peut-être induit par de nouvelles particules qui améliorent le processus.
Moins d’une collision dans le LHC sur un milliard produit un boson de Higgs. La découverte initiale ressemblait donc à trouver une aiguille dans une très grosse botte de foin. Aujourd’hui, les théoriciens ont proposé de nombreuses possibilités pour d’autres particules extraterrestres qui pourraient éventuellement apparaître dans nos détecteurs. Mais le défi s’apparente maintenant à la recherche de quelque chose dans une botte de foin alors que vous ne savez même pas si vous cherchez entièrement une aiguille ou un autre objet.
D’autres nouvelles opportunités abondent. Il y a dix ans, la plupart des physiciens auraient rejeté l’idée, si quelqu’un avait été assez fou pour le suggérer, que nous pourrions attacher un réseau de neurones à un détecteur du LHC pour analyser ses découvertes. Aujourd’hui, grâce aux innovations développées par un brillant groupe de collègues juniors et de partenaires de l’industrie désireux de repousser les limites de l’intelligence artificielle, un réseau examine 40 millions de collisions du LHC par seconde pour décider ce qui semble assez intéressant pour être enregistré pour une étude ultérieure par des humains. .
Lorsque vous voyez des photographies des colossaux détecteurs ATLAS et CMS, la majeure partie du volume des détecteurs que vous regardez est leur partie externe, qui a été conçue pour détecter et mesurer un type particulier de particule appelée le muon, un cousin de l’électron qui est souvent produit lors de la désintégration de particules, y compris le boson de Higgs. Les muons pénètrent plus facilement dans la matière que les autres particules qui sont arrêtées et mesurées dans les parties internes des détecteurs. Au cours des deux dernières années seulement, les innovateurs de CMS et d’ATLAS ont réalisé qu’ils pouvaient réutiliser les détecteurs extérieurs pour des découvertes potentielles qui autrement seraient manquées. De nombreux modèles qui tentent d’expliquer la matière noire proposent l’existence de particules exotiques à longue durée de vie qui peuvent pénétrer à travers les détecteurs internes et arriver dans les détecteurs externes avant de se désintégrer en particules standard. Ce scénario produirait un signal de découverte qui pourrait être relativement facile à voir, mais seulement si vous saviez le chercher.
Dix ans après la découverte du boson de Higgs, le domaine de la physique des particules fleurit avec de nouvelles idées visant à faire la lumière sur de profonds mystères. Le Large Hadron Collider entame un nouveau chapitre de sa vie, avec des faisceaux de particules plus puissants, des capacités de détection améliorées et des techniques plus sophistiquées pour permettre la découverte. Les expérimentateurs et les théoriciens repoussent les frontières de leur ingéniosité dans ce passionnant voyage d’exploration.
