Le 4 juillet 2012, les chercheurs du Grand collisionneur de hadrons (LHC), en Suisse, annonçaient en grande pompe avoir réussi à détecter le boson de Higgs, manifestation du mécanisme qui donne leur masse à certaines particules élémentaires. Cette découverte est un triomphe à la fois de la compétence expérimentale requise pour détecter définitivement la particule et de la perspicacité théorique de ceux qui ont prédit son existence, reconnue par le prix Nobel de physique 2013.
Les chercheurs de l’Université Brown ont joué un rôle clé dans les deux aspects de cette réussite. Des expérimentateurs tels que David Cutts, Ulrich Heintz, Greg Landsberg et feu Meenakshi Narain ont apporté des contributions clés à l'expérience Compact Muon Solenoid (CMS) au LHC, à qui l'on attribue cette découverte. Des années plus tôt, feu Gerald Guralnik faisait partie d'un groupe qui avait fait une prédiction théorique de la particule, que de nombreux scientifiques considèrent comme la description la plus complète du mécanisme de Higgs.
Le Higgs était la dernière pièce manquante du modèle standard de la physique des particules, la théorie qui décrit les éléments de base de l’univers. Mais sa découverte n’était en aucun cas une destination finale pour la physique des particules. Des questions fondamentales sur le Higgs lui-même restent sans réponse.
Fin octobre, des physiciens du monde entier se sont réunis à Brown pour la conférence annuelle Higgs pour discuter de ces questions et bien plus encore. La conférence de cette année, organisée pour la première fois à Brown, a été organisée par Gaetano Barone et Loukas Gouskos, tous deux professeurs adjoints à Brown et faisant partie d'un groupe d'expérimentateurs de particules en début de carrière comprenant les professeurs adjoints Matt LeBlanc et Jennifer Roloff.
Gouskos a parlé de la conférence dans une interview.
Pourriez-vous nous parler un peu du boson de Higgs et de sa signification ?
C'est une particule que nous avons découverte il y a plus de dix ans et qui était très insaisissable. Nous l'avons recherché de manière exhaustive pendant environ 50 ans. C'est la particule associée au champ de Higgs, qui imprègne l'univers. Les interactions avec ce champ déterminent les masses des quarks et des leptons chargés, les éléments constitutifs de la matière ainsi que les massifs porteurs de force. C'est donc fondamental pour tout ce que nous savons sur l'univers.
Maintenant qu’il a été découvert, quelles sont les questions ouvertes qui l’entourent ?
La découverte de la particule n’a pas marqué la fin de l’histoire, comme beaucoup pourraient le penser. Cela a en fait ouvert un tout nouveau chapitre d’exploration. Nous voulons comprendre dans quelle mesure il interagit avec d'autres particules et aussi avec lui-même, s'il interagit avec des particules au-delà de celles prédites par le modèle standard et plus encore. Tout écart par rapport aux prédictions du modèle standard pourrait indiquer l’apparition de nouvelles particules ou forces. Certains couplages de Higgs ne sont encore connus qu'au niveau de 10 %, voire moins. D’autres sont bien plus faiblement contraints ou ne sont pas encore établis. Il y a donc beaucoup à apprendre.
Comprendre ces interactions est lié à certaines des questions les plus profondes sur l’univers. Par exemple, des mesures précises de la manière dont le Higgs se couple à d’autres particules et à lui-même pourraient expliquer pourquoi la matière domine l’antimatière – et donc pourquoi nous existons. Cela pourrait également offrir des indices sur la nature particulaire de la matière noire.
Nous souhaitons également comprendre le potentiel de Higgs, le paysage énergétique du champ de Higgs à partir duquel la particule est produite. Nous savons, maintenant que nous avons découvert la particule, quel est le minimum de ce potentiel de Higgs, mais nous ne savons pas s'il s'agit d'un minimum universel ou s'il pourrait réellement créer un tunnel quantique vers un état d'énergie inférieur. Si cela se produisait, cela changerait complètement le destin de l’univers. Mais nous ne devrions pas (encore) nous inquiéter. Les données actuelles impliquent des durées de vie bien plus longues que l’âge de l’univers.
Pouvez-vous nous en dire plus sur la conférence et comment elle répondra à certaines de ces questions ?
Il s'agit de la conférence la plus prestigieuse consacrée au boson de Higgs. Nous avons environ 130 personnes présentes cette année. Nous avons commencé par des présentations en plénière de la situation actuelle – ce que les expériences et la théorie du LHC nous disent aujourd’hui – puis nous sommes passés à des séances ciblées sur les prochaines étapes à suivre. Un thème majeur est celui des « outils de précision », par lequel nous entendons les détecteurs que nous exploitons aujourd'hui et que nous prévoyons pour l'avenir, ainsi que les algorithmes, les analyses et les méthodes d'IA qui transforment les données en mesures.
À court terme, nous établirons les plans du LHC et de sa prochaine phase, de plus haute intensité. À plus long terme, nous discuterons du prochain projet de collisionneur de plusieurs milliards de dollars : à quoi il ressemblerait, pourquoi il est nécessaire et jusqu'où il pourrait pousser notre compréhension du Higgs.
Qu’est-ce que cela signifie pour Brown d’accueillir cette conférence ?
J’espère que cela place Brown encore plus clairement sur la carte en tant que point central du Higgs et de la physique des particules en général. De plus, je pense que cette conférence suscitera l’intérêt et l’attention d’autres disciplines ici à Brown, par exemple l’ingénierie et l’informatique. Il existe de nombreux liens entre les techniques que nous utilisons et celles utilisées dans ces disciplines.
C'est également formidable pour nos étudiants, qui peuvent rencontrer beaucoup de gens et se rendre compte de l'importance de ce que nous faisons ici, ainsi que de ce qu'il faut pour devenir un scientifique à succès. C'est vraiment une belle opportunité.
