Le blog de Pauline Gagnon : Cueilleuse de Higgs, pas chasseuse de Higgs!

Depuis la parution en 1990 du manuel du chasseur de Higgs (the Higgs Hunter’s Guide en anglais), on fait souvent référence à la «chasse au Higgs», comme si nous étions une bande de physiciens et physiciennes assoiffés de sang et prêts à tuer ce boson de Higgs. Si on doit associer cette traque à un safari, il s’agit tout au plus d’un safari photo!

Car cette recherche repose entièrement sur la statistique. Avec les détecteurs CMS et ATLAS, on recueille chaque jour des millions « d’événements », chacun étant une photo captée à la suite d’une collision entre protons dans le Grand collisionneur de hadrons (LHC). Toutes sortes de particules sont créées à partir de l’énergie libérée par ces collisions, certaines plus souvent que d’autres. Tout ce qui se produit souvent est bien sûr le mieux connu puisqu’on a eu amplement l’occasion de l'étudier dans le passé. Le plus difficile reste à faire: capter les événements les plus rares comme ceux contenant un boson de Higgs par exemple. Pour y parvenir, il nous faut passer au peigne fin des quantités phénoménales d’événements.

Les particules lourdes créées lors de ces collisions sont instables et se désintègrent rapidement en particules plus petites et stables. Chaque événement ressemble donc à un mini feu d’artifice dont les débris volent dans toutes les directions. Si un boson de Higgs est créé, il se brisera aussitôt en particules légères. Pour l’identifier, on doit le reconstruire à partir de ses débris.

Jusqu’à présent, le boson de Higgs reste introuvable et personne ne sait exactement à quoi il ressemblera. Mais s'il existe, et si c’est bien celui prédit par le Modèle standard, alors on a une bonne idée de comment l’attraper. On lui tend des pièges taillés sur mesure, chaque piège (ou « analyse ») étant une série de critères de sélection visant un aspect unique des événements de notre signal, soit une désintégration spécifique du boson de Higgs.

Par exemple, un boson de Higgs pourrait se désintégrer en deux bosons Z, qui eux mêmes produiront une paire d’électrons ou de muons. Il suffirait alors de ne sélectionner que les événements qui contiennent deux de ces paires. Le problème, c’est qu’il est aussi possible de produire deux Z directement, et ceux-ci se désintègreront exactement de la même façon. Ou encore, certaines particules peuvent être incorrectement identifiées comme électrons ou muons, simulant encore une fois une désintégration semblable à celle d’un Higgs.

Toute la difficulté consiste donc à sélectionner autant d’événements que possible contenant un Higgs tout en rejetant la vaste majorité des autres événements, ce qu’on appelle le bruit de fond, qui sont aussi produits encore bien plus abondamment. C’est un peu comme si, malgré le grand soleil, on veut prendre une photo d’une toute petite étincelle. On aura besoin de filtres spéciaux pour minimiser la lumière ambiante sans bloquer la lumière de cette étincelle.

Fort heureusement, les prévisions du Modèle standard sont très précises et nous permettent d’anticiper combien d’événements viendront du bruit de fond. Il suffit donc de compter ces événements et voir si on en récolte plus que ce qui est prédit seulement pour le bruit de fond.

Une fois la sélection faite, on étudie la distribution de certaines variables pour tous les événements sélectionnés. Une des plus utilisées est la masse reconstruite à partir de tous les débris de la désintégration initiale. Pour les événements du bruit de fond, ils ne formeront pas une masse particulière. Mais si ces événements viennent tous d’une seule et même particule, un boson de Higgs par exemple, ils commenceront à s’accumuler au même endroit. Et là, on aurait la preuve de son existence.

Mais même si un jour on déclare l’avoir trouvé, on ne pourra dire avec une certitude absolue si tel ou tel événement correspond à un Higgs ou au bruit de fond. C’est seulement en regardant l’ensemble des événements sélectionnés qu’on peut voir un excès, et pas avec un événement en particulier.

C’est comme avec la cueillette des bleuets*: il en faut beaucoup pour les voir au fond du sceau. Étant originaire du nord du Québec au Canada, question bleuets, je m’y connais. Avec un peu de chance, cela me donnera une longueur d’avance dans la course à la cueillette du Higgs!

(*bleuet: ou « myrtille » en France)

Événement capté par le détecteur ATLAS dans la recherche d’un boson de Higgs se désintégrant en deux Z, eux-mêmes donnant naissance à une paire d’électrons (vus en jaune dans l’encadré en bas à gauche) et deux muons (les traces en rouge). Il est impossible de dire avec un seul de ces événements s’il provient d’un boson de Higgs ou s’il s’agit simplement d’une paire de bosons Z, les deux types d’événements étant identiques. Il faut donc en accumuler plusieurs pour pouvoir dire si oui ou non le Higgs existe ou pas.

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par Pauline Gagnon