Dans une histoire de fantôme scientifique, un collisionneur d’atomes américain a apporté une contribution scientifique importante 3,5 ans après son arrêt. Les scientifiques rapportent que le collisionneur Tevatron de Batavia, dans l’Illinois, a fourni de nouveaux détails sur la nature du célèbre boson de Higgs – la particule qui est la clé de l’explication des physiciens sur la façon dont les autres particules fondamentales obtiennent leur masse et le morceau dans une théorie appelée le modèle standard. Le nouveau résultat renforce la thèse selon laquelle le boson de Higgs, qui a été découvert dans un autre briseur d’atomes, correspond exactement aux prédictions du modèle standard.
« C’est un article très intéressant et important, car il s’agit d’un mécanisme différent » pour sonder les propriétés du boson de Higgs, déclare John Ellis, un théoricien du King’s College de Londres et du CERN qui n’a pas participé aux travaux. « C’est le chant du cygne » pour le Tevatron, dit-il.
Le Tevatron, un collisionneur en forme d’anneau de 7 kilomètres de long situé au Fermi National Accelerator Laboratory (Fermilab) à Batavia, dans l’Illinois, a fonctionné de 1983 à septembre 2011. Il a vu des indices de la présence du boson de Higgs, mais n’a jamais découvert cette particule. Cet honneur est revenu aux physiciens travaillant au Grand collisionneur de hadrons (LHC), un briseur d’atomes de 27 kilomètres de long au CERN, le laboratoire européen de physique des particules situé près de Genève, en Suisse. Ils ont annoncé leur découverte en juillet 2012.
Dès que les physiciens du LHC ont découvert le Higgs, ils ont cloué sa masse : 125 gigaélectronvolts, soit environ 133 fois la masse du proton. Mais la particule possède également d’autres propriétés caractéristiques. Comme toutes les particules fondamentales, le boson de Higgs possède une quantité fixe et quantifiée de moment angulaire ou de spin. Il possède également une propriété de symétrie appelée parité, qui peut être paire ou impaire et qui affecte, par exemple, la façon dont le boson de Higgs peut se désintégrer en d’autres particules. Selon le modèle standard, le boson de Higgs devrait avoir un spin nul et une parité positive. Cependant, il est concevable que la particule observée puisse avoir un spin nul et une parité négative ou deux unités de spin et une parité positive. De nombreux physiciens seraient ravis que le boson de Higgs ait un tel « spin-parité » exotique, car cela indiquerait de nouveaux phénomènes non prévus par le modèle standard.
En fait, les expérimentateurs travaillant avec les deux plus grands détecteurs de particules alimentés par le LHC – des dispositifs massifs appelés ATLAS et CMS – ont déjà montré avec une grande certitude que le boson de Higgs a un spin nul et une parité paire. Pour ce faire, ils ont étudié la désintégration du boson de Higgs en particules familières, telles qu’une paire de photons ou une paire de particules massives appelées bosons Z. À partir des distributions angulaires de ces particules filles émergentes, les physiciens ont pu déterminer le spin et la parité du Higgs parent.
Les chercheurs travaillant avec les données du Tevatron ont adopté une approche différente. Au lieu d’étudier les désintégrations des Higgs, ils ont recherché les signes d’un Higgs produit en tandem avec un boson Z ou un boson W, des particules qui véhiculent la force nucléaire faible, comme ils l’expliquent dans un article sous presse chez Physical Review Letters. (Le boson de Higgs était supposé se désintégrer en une paire de particules connues sous le nom de quark inférieur et de quark antibottom). À partir des énergies et des moments du Higgs et de son partenaire, les chercheurs ont ensuite calculé une quantité appelée masse invariante pour la paire. Si le boson de Higgs et son partenaire étaient nés de la désintégration d’une seule particule mère, cette quantité serait la masse de cette particule mère. En réalité, le Higgs et son partenaire émergeraient directement du chaos de la collision des particules, la particule mère est donc purement hypothétique.
Néanmoins, en calculant la masse de cette particule mère hypothétique, les chercheurs ont pu tester différentes combinaisons de spin et de parité par procuration. Si le Higgs avait un spin-parité « exotique » plutôt que les caractéristiques du modèle standard, la masse invariante observée serait plus élevée. Les chercheurs travaillant avec les deux détecteurs de particules alimentés par le Tevatron – CDF et D0 – ont donc recherché de telles paires à masse invariante élevée. N’en ayant trouvé aucune, ils ont exclu les versions exotiques du boson de Higgs encore plus rigoureuses. Ainsi, même si les physiciens du Tevatron n’ont jamais observé de manière concluante le boson de Higgs, ils ont pu poser des limites sur ses propriétés.
Techniquement, les nouvelles limites du Tevatron sont légèrement plus fortes que celles fixées par les expériences du LHC, explique Dmitri Denisov, un physicien du Fermilab qui travaille sur D0. Mais Ellis, du CERN, affirme qu’ATLAS et CMS avaient déjà essentiellement réglé la question.
En fait, les chercheurs du Tevatron ont manqué une occasion de faire un scoop à leurs homologues du LHC sur le spin et la parité du Higgs, affirme Ellis. Quelques semaines seulement après que les chercheurs du LHC eurent découvert le Higgs, Ellis et ses collègues ont expliqué dans un article comment les équipes du Tevatron pourraient appliquer la technique de la masse invariante à leurs données archivées afin de prendre la « voie rapide » pour tester le spin et la parité du Higgs. Pour des raisons techniques, la technique serait plus sensible sur les données du Tevatron que sur celles du LHC, expliquent-ils, car le Tevatron fait entrer en collision des protons et des antiprotons, alors que le LHC fait entrer en collision des protons et des protons. Mais finalement, l’analyse du Tevatron s’est déroulée lentement, car les membres des équipes CDF et D0 sont partis travailler sur le LHC. « Ce résultat a un peu un caractère « nous aussi » plutôt que d’être le premier comme nous l’avions espéré », explique Ellis.
Denisov convient que le manque de personnes a entravé les progrès. Il note que toute l’idée aurait pu être essayée avant même la découverte du Higgs : « Si elle nous était parvenue un an plus tôt, nous aurions peut-être pu déterminer le spin et la parité du Higgs avant même sa découverte. »
Pour les études sur le Higgs au Tevatron, « c’est fondamentalement tout », dit Denisov. Entre-temps, les physiciens travaillant au LHC ont pour objectif de sonder d’autres propriétés du boson de Higgs avec une plus grande précision. Ils espèrent notamment mesurer à quelques points de pourcentage près la vitesse à laquelle le boson de Higgs se désintègre en différentes combinaisons de particules plus familières et comparer ces résultats aux prédictions du modèle standard. Selon les chercheurs, ce travail devrait prendre environ 15 ans.