LHC (Large Hadron Collider)

Les principaux résultats

Le résultat le plus marquant de la première collecte de données est sans conteste la découverte du boson de Higgs, annoncée par les équipes de chercheurs d’ATLAS et CMS le 4 juillet 2012. Il s’agit d’un résultat majeur car il valide le mécanisme théorique imaginé en 1964 qui prédit l’existence de ce boson et explique une propriété fondamentale des particules élémentaires : leur masse. Grâce à la luminosité très élevée du LHC, on y produit un boson de Higgs environ tous les deux dixièmes de seconde. Celui-ci se désintègre instantanément et ce sont les produits de sa désintégration que l’on enregistre dans les détecteurs. Plusieurs modes de désintégration sont possibles mais tous ne sont pas propices à la détection. La désintégration du boson de Higgs en une paire de photons est particulièrement intéressante car il est assez aisé d’identifier les photons dans le détecteur, de mesurer leur énergie et ainsi de calculer la masse du système qu’ils constituent. Si ces photons proviennent de la désintégration d’un boson de Higgs, alors la masse du système sera proche de celle du Higgs. En revanche, s’ils sont issus directement de la collision des protons, alors la masse du système sera quelconque. Pour prouver l’existence du boson de Higgs, il faut donc observer un surplus de paires de photons à une masse bien précise. Ce surplus est faible car la désintégration du boson de Higgs en deux photons est très rare : elle n’intervient environ qu’une fois pour mille milliards de collisions. Si ce travail s’apparente à chercher une aiguille dans une botte de foin, c’est pourtant ce type de méthode qui a permis la découverte du boson de Higgs.

La recherche de nouvelles particules est au cœur du programme du LHC. Deux méthodes de recherche sont possibles. La première est la recherche dite directe : dans l’hypothèse où une nouvelle particule serait produite dans les collisions du LHC, on pourrait observer ses produits de désintégration, de la même façon que l’on a découvert le boson de Higgs. La seconde méthode est dite indirecte : il se peut que cette nouvelle particule soit si lourde que l’énergie de collision du LHC soit insuffisante pour qu’elle puisse être produite ou que son taux de production soit si faible qu’il soit impossible de l’observer. Son existence pourrait toutefois être détectée car elle pourrait avoir un effet observable sur certains processus. Un exemple emblématique de cette approche indirecte est l’étude de la désintégration d’une particule appelée méson  B_s en une paire de muons (particules similaires aux électrons mais plus lourdes). Si le méson B_s est déjà bien connu, ce mode de désintégration particulier, extrêmement rare, n’avait jamais été observé : sa probabilité n’est en effet que de quatre sur un milliard d’après le modèle standard. L’existence d’une nouvelle particule très lourde pourrait la modifier : l’espoir était donc grand de mesurer une valeur différente. Or, la désintégration a été observée pour la première fois par les expériences CMS et LHCb en 2014, et le résultat s’est avéré conforme à la prédiction du modèle standard. Cette mesure constitue une prouesse scientifique en soi mais, jusqu’à présent, n’indique pas l’existence de nouvelles particules.

Les résultats de ce type, même négatifs, n’en sont pas moins importants : ils permettent de rejeter ou non des extensions théoriques du modèle standard, de faire avancer la réflexion et peut-être d’ouvrir la voie aux découvertes futures. De plus, l’augmentation de l’énergie de collision de 7 à 8 puis 13 TeV ouvre la possibilité d’observer des particules de masse toujours plus élevée, et l’enregistrement d’un nombre croissant de collisions au fil des collectes de données permet d’étudier des processus toujours plus rares.