• Le boson de Higgs explique-t-il la masse de la matière noire ?

     

    Le boson de Higgs explique-t-il la masse de la matière noire ?

     

    Ce n'est pas le boson de Higgs, mais bien le champ de Higgs qui explique la masse des particules élémentaires du modèle standard. Le champ de Higgs n'apporte pas de réponse concernant la masse des étoiles mais il pourrait fournir une clé pour comprendre la matière noire et, peut-être aussi, l'énergie noire via les théories supersymétriques, comme l'explique Julien Baglio, théoricien spécialiste du boson de Higgs, à Futura-Sciences.

     

     

    Dans un précédent article, on a vu que le champ de Higgs, dont l’existence est devenue presque certaine depuis la découverte du boson du Cern, serait présent dans l’espace autour de nous. Les bosons de Higgs, eux, n’existent plus depuis le Big Bang car ils se désintègrent très vite. On a expliqué aussi que dans le cadre du modèle standard, c'est bien le champ de Higgs, et non le boson de Higgs, qui explique la masse des bosons W et Z0. Avec les photons du champ électromagnétique, sans masse, ce sont les particules médiatrices des forces électrofaibles.

    Les bosons W sont responsables des processus de radioactivité bêta qui font briller le Soleil lorsqu’il fabrique de l’hélium et du deutérium. Si ces bosons n’étaient pas massifs, les noyaux se désintégreraient très vite et ne pourraient donc pas exister. Sans le champ de Higgs, les électrons seraient sans masse et ne formeraient pas des atomes. Dans le cadre du modèle standard, on peut ainsi dire que le champ de Higgs est essentiel à l’apparition de la vie sur Terre.

    Peter Higgs, l'un des physiciens à l'origine du mécanisme de Brout-Englert-Higgs expliquant la masse des particules élémentaires.
    Peter Higgs, l'un des physiciens à l'origine du mécanisme de Brout-Englert-Higgs expliquant la masse des particules élémentaires. © Peter Tuffy-The University of Edinburgh

    Mais le champ de Higgs ne justifie pas la masse du Soleil ou des atomes de l’ADN puisque, comme on l’a évoqué dans un récent article, les masses des protons et neutrons des atomes, presque deux mille fois plus lourdes que des électrons, ne s’expliquent pas avec le champ de Higgs.

    Toutefois, on a de bonnes raisons de penser qu'il existe de la matière noire dans l’univers. Elle devrait être constituée de particules jamais encore observées. Dans un cube de plusieurs centaines de millions d’années-lumière, la matière noire pèserait même plus lourd que la matière baryonique normale. On sait aussi qu’il y a une autre composante massive dans ce cube, la fameuse énergie noire qui, elle-même, domine la matière noire. Le champ de Higgs donne-t-il de la masse à la matière noire et à l’énergie noire ?

     

     

    Un documentaire sur la découverte des bosons W de la théorie électrofaible, au Cern, au début des années 1980. Ces bosons sont massifs en raison de l'existence supposée du mécanisme de Brout-Englert-Higgs. Ils interviennent dans les réactions faisant briller le Soleil. © Cern, BBC Open University/YouTube

    Remarquablement, il se pourrait que l’élucidation de la nature précise du champ de Higgs soit une clé importante pour comprendre la matière noire et même l’énergie noire.

    Un ou cinq bosons de Higgs ? Telle est la question !

    Pour cela, il faudrait que le champ de Higgs et le boson de Higgs soient un peu différents de ceux inclus dans le modèle standard. Comme l’expliquait le physicien et théoricien Julien Baglio, il y a quelque temps, à Futura-Sciences, une des extensions possibles les plus prometteuses du modèle standard fait intervenir la supersymétrie, notamment parce qu’elle permet de construire des théories unifiant les forces nucléaires fortes et les forces électrofaibles, des GUT, dans lesquelles le proton est suffisamment stable contrairement aux GUT sans supersymétrie. Plusieurs de ces extensions supersymétriques du modèle standard existent et elles prévoient justement que le boson de Higgs se comporte un peu différemment de ce qui est prédit dans la théorie de Glashow-Salam-Weinberg.

    Malheureusement, les versions supersymétriques les plus simples du modèle standard sont actuellement en grande difficulté car on s’attendait à ce qu’Atlas et CMS découvrent vite les nouvelles particules que ces théories prédisaient. Pour le moment il n’en est rien, bien que le dernier mot ne soit pas encore dit. Avec le nouveau boson dont la découverte a été annoncée le 4 juillet 2012 au Cern, tout va peut-être changer. Futura-Sciences a demandé à Julien Baglio ce qu’il en pensait.

    Julien Baglio devant le tableau noir de son bureau lors de son séjour au Cern dans la division de physique théorique.
    Julien Baglio devant le tableau noir de son bureau lors de son séjour au Cern dans la division de physique théorique. © Julien Baglio, Laurent Sacco/Futura-Sciences

    Futura-Sciences : Le nouveau boson découvert par les détecteurs Atlas et CMS semble se comporter d'une façon conforme aux prédictions du modèle standard. Alors pourquoi les chercheurs du Cern préfèrent-ils parler de la découverte d’une nouvelle particule plutôt que du boson de Higgs ?

    Julien Baglio : Le modèle standard prédit que le boson de Higgs peut se désintégrer de différentes façons, par exemple en donnant deux photons gamma, un quark b avec son antiparticule ou encore deux bosons Z0 qui se désintégrent chacun à leur tour en deux leptons. On a effectivement observé ces canaux de désintégration associés à un boson dont la masse est dans l’intervalle encore autorisée par les expériences précédentes, comme celles du Tevatron, et où devrait se trouver un boson de Higgs standard. Le nouveau boson ressemble donc beaucoup à la particule de Peter Higgs.

    Sur ce schéma sont montrées les importances relatives de certains canaux de désintégration du Higgs en fonction de sa masse éventuelle. On voit ainsi qu'entre 100 GeV et 150 GeV apparaît une bosse exprimant l'importance du canal de désintégration à deux photons gamma (pointillé rouge). Au-delà de 200 GeV, le canal, caractérisé par la production d'un quark b et d'un antiquark b (courbe rouge), devient complètement négligeable devant ceux avec bosons Z ou W. Bien que ces deux canaux soient fortement favorisés par rapport à celui à deux photons vers 130 GeV, le signal en gamma est moins bruité que le signal en ZZ ou WW. C'est pourquoi, si le Higgs standard existe et a bien une masse entre 115 GeV et 140 GeV, les premiers indices de son existence sont ces photons gamma.
    Sur ce schéma sont montrées les importances relatives de certains canaux de désintégration du Higgs en fonction de sa masse éventuelle. On voit ainsi qu'entre 100 GeV et 150 GeV apparaît une bosse exprimant l'importance du canal de désintégration à deux photons gamma (pointillé rouge). Au-delà de 200 GeV, le canal caractérisé par la production d'un quark
    b et d'un antiquark b (courbe rouge) devient complètement négligeable devant ceux avec bosons Z ou W. Bien que ces deux canaux soient fortement favorisés par rapport à celui à deux photons vers 130 GeV, le signal en gamma est moins bruité que le signal en ZZ ou WW. C'est pourquoi, si le Higgs standard existe et a bien une masse entre 115 GeV et 140 GeV, les premiers indices de son existence sont ces photons gamma. © Konrad Jende/Cern

    Toutefois, il existe différents types de bosons qui sedifférencient par leur spin, une propriété des particules qui, si elles étaient véritablement des petites boules (ce qui n’est pas le cas), serait directement liée à leur rotation sur elle-même. Un boson peut avoir un spin dit nul, c’est une particule d’un champ scalaire comme le boson de Higgs ou le pion. Le photon, ou un boson Z0, a lui un spin 1, comme on l'évoque dans le jargon des physiciens, et l’hypothétique graviton a un spin 2.

    Le canal de désintégration en deux photons gamma nous permet de savoir qu’il ne s’agit pas d’une particule de spin 1, ce ne peut donc pas être, par exemple, un boson Z’.

    Bien que cela apparaisse peu crédible, il n’est pas encore exclu que le nouveau boson soit de spin 2. Il serait alors question d'un graviton massif comme ceux que l’on trouve dans les théories avec des dimensions spatiales supplémentaires, comme la théorie des supercordes.

    On ne devrait pas tarder à le savoir car, en étudiant plus en détail le canal de désintégration avec 4 leptons, la valeur du spin sera déterminée. Il semble cependant que l’on soit bel et bien en présence d’une particule de spin 0, précisément ce qu’on attend du boson de Higgs. Mais la prudence reste de mise.

    Diagramme montrant la désintégration du boson de Higgs dans le canal avec deux bosons Z0 qui eux-mêmes se désintègrent en leptons, ici des électrons, muons et leurs antiparticules. Atlas et CMS voient tous les deux des signes de cette réaction avec un boson de Higgs ayant une masse de l'ordre de 126 GeV.

    Diagramme montrant la désintégration du boson de Higgs dans le canal avec deux bosons Z0 qui eux-mêmes se désintègrent en leptons, ici des électrons, muons et leurs antiparticules. Atlas et CMS voient tous les deux des signes de cette réaction avec un boson de Higgs ayant une masse de l'ordre de 126 GeV. © Matthew Strassler

    Ne peut-on pas déjà déceler quelques signes montrant qu’il ne s’agit pas d’un Higgs standard ?

    Julien Baglio : On voit dans les mesures d’Atlas un léger excès de photons gamma par rapport aux prédictions du modèle standard. Cela pourrait être une signature d’une nouvelle physique mais il est encore trop tôt pour affirmer qu’il ne s’agit pas d’une simple fluctuation statistique. De plus, avec des collègues, nous venons de montrer que cet excès peut, en partie, s’expliquer par une modélisation plus fine des incertitudes théoriques pesant sur la prédiction de la section efficace de production du boson de Higgs standard, qui fait intervenir la chromodynamique quantique.

    Pourrait-il s’agir d’une signature de la supersymétrie ?

    Julien Baglio : Ce n’est pas évident. Ce qui est certain c’est qu’un boson de Higgs standard de masse inférieure à 135 GeV est parfaitement compatible avec la supersymétrie. Il faut bien garder à l’esprit une chose : que ce soit avec le Tevatron ou le LHC, on a cherché en priorité un boson de Higgs standard ou lui ressemblant beaucoup. Dans le cas des extensions supersymétriques du modèle standard les plus simples qui ont été considérées, il existe 5 bosons de Higgs de différentes masses. Certaines ont même des valeurs en dehors de l’intervalle autorisé par les mesures faites jusqu’à présent, justement parce qu’ils ne se comportent pas du tout comme le Higgs du modèle standard.

     

    Il pourrait d’ailleurs y avoir un boson de Higgs massif, resté invisible jusqu’à présent, non lié à des théories supersymétriques, et que nous n’avons pas vu parce qu'il ne se comporte pas, lui non plus, comme le Higgs standard. C’est une des raisons pour lesquelles on reste prudent concernant la nature du boson découvert au LHC.

    Diagramme montrant la désintégration du boson de Higgs dans le canal avec deux photons gamma. Atlas et CMS voient tous les deux des signes de cette réaction avec un boson de Higgs ayant une masse de l'ordre de 126 GeV.

    Diagramme montrant la désintégration du boson de Higgs dans le canal avec deux photons gamma. Atlas et CMS voient tous les deux des signes de cette réaction avec un boson de Higgs ayant une masse de l'ordre de 126 GeV. © Matthew Strassler

    Si l’on prouvait finalement l’existence des bosons de Higgs supersymétriques, cela expliquerait-il en partie la matière noire ?

    Julien Baglio : Des bosons de Higgs supersymétriques ne pourraient pas expliquer la matière noire en eux-mêmes. Cependant, la supersymétrie prévoit qu’à chaque particule du modèle standard soit associée une autre particule de spin différent. Le champ de Higgs décrit des bosons de spin 0. La supersymétrie leur associe des fermions, les Higgsinos, avec leur propre champ semblable à celui des quarks ou des leptons. Ces Higgsinos peuvent se mélanger à d’autres champs correspondant aux particules supersymétriques associées, par exemple, aux bosons W (on parle de Winos). On peut montrer qu'on obtient alors un nouveau champ avec une nouvelle particule, neutre, massive et stable que l’on appelle un neutralino.

    Les neutralinos ont toutes les propriétés requises pour expliquer la matière noire. En ce sens, la découverte du boson de Higgs pourrait présager que nous nous approchons de la solution de l’énigme de la matière noire. Si le champ de Higgs contribue très peu à la masse de la matière normale de l’univers, son existence pourrait cependant être indirectement responsable de la masse de la matière dominante de l’univers observable, la matière noire.

    La majeure partie de la masse contenue dans un grand volume d’espace, qui comporte de nombreux amas de galaxies, se trouve sous forme d’énergie noire. Peut-il y avoir un lien avec le boson de Higgs ?

    Julien Baglio : Le champ de Higgs devrait contribuer à l’énergie du vide et donc à la valeur de l’énergie noire sous forme d’une constante cosmologique. La valeur de cette énergie devrait être considérable, en contradiction avec les observations. On ne sait pas pourquoi. La supersymétrie pourrait contribuer à éclaircir ce mystère bien que, là aussi, les choses ne soient pas simples. Des cousins du champ de Higgs, c'est-à-dire des champs scalaires ou même de nouveaux champs de Higgs avec des GUT ou des théories supersymétriques, ont été proposés depuis longtemps pour expliquer l’énergie noire. La découverte du boson de Higgs nous donnerait donc des raisons de plus de s’intéresser aux théories contenant ces cousins du champ de Higgs du modèle standard.

    En résumé, la découverte du boson de Higgs, et surtout du fait qu’il n'est pas exactement tel que le prévoit le modèle standard, pourrait être un premier pas en direction d’une véritable compréhension de la nature de la matière noire, de l’énergie noire et des théories de GUT. Si c’est le cas, un énorme travail reste à accomplir et, peut-être, faudra-t-il construire une nouvelle génération d’accélérateur pour les prochaines décennies.

    En attendant, le travail des expérimentateurs au LHC à propos du boson de Higgs, consistera en la mesure de ses propriétés, c’est-à-dire non seulement son spin, dont on a parlé précédemment, mais aussi ses couplages aux quarks, leptons et bosons électrofaibles. Les théoriciens vont donc être sollicités pour fournir leurs prédictions à ce sujet, aussi bien dans le cadre du modèle standard que dans des théories plus exotiques. Il nous reste du pain sur la planche et l’excitation ne faiblit pas !

     

    http://www.futura-sciences.com/fr

     

     


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