Enquête Accelerateur de particules| Boson
 
Le boson de Higgs enfin démasqué

Le CERN vient de présenter les derniers résultats des expériences menées au sein du LHC. Comme les physiciens s’y attendaient, l’existence du fameux boson vient d’être confirmée et la masse de la particule déterminée. Et tout cela est parfaitement compatible avec le Modèle standard.

Par Yaroslav Pigenet, le 03/07/2012 (Mis à jour le 06/07/2012)

  Le LHC (Large Hadron Collider) « Nous avons observé un nouveau boson ! » C'est par cette litote que Joe Incadela, responsable de l’expérience CMS du LHC, a confirmé que la longue traque du boson de Brout-Englert-Higgs venait d’entrer dans une nouvelle phase. Désormais la fameuse particule n’est plus seulement une entité théorique, sa réalité physique a enfin été démontrée par l’expérience et sa masse estimée aux alentours de 125 GeV/c2. Même si la nouvelle était attendue, le petit monde de la physique est enthousiaste devant cette (nouvelle) confirmation expérimentale du Modèle standard. « Il s’agit d’un résultat très préliminaire, mais nous pensons qu’il est très significatif, très robuste », a notamment expliqué Joe Incandela au cours de la conférence organisée le 4 juillet au CERN pour présenter ces résultats.
Une particule clé
L’existence du boson de Higgs a été prédite dès 1964, non seulement par Peter Higgs, mais aussi, indépendamment, par les physiciens Gerald Guralnik, Carl Richard Hagen, Tom Kibble, Robert Brout et François Englert. Cette particule, jusqu’ici hypothétique, donnerait naissance au champ de Higgs, dans lequel « baignerait » l’Univers entier et qui conférerait aux autres particules leur masse spécifique.

À ce titre, le Higgs est à la fois la clé de voûte et l’ultime pièce manquante du Modèle standard de la physique des particules. En effet, bien que prédite par la théorie, cette particule élémentaire n’avait jusqu’ici jamais été observée expérimentalement, contrairement à toutes les autres particules postulées par ce même modèle.
Le Modèle standard, c'est quoi ?
  Les particules du Modèle standard La matière qui nous entoure est constituée de particules élémentaires décrites avec un haut degré de précision par une théorie appelée « Modèle standard ». Développé dans la deuxième moitié du XX ème siècle, ce dernier prévoit l'existence de douze particules ( et de leur douze antiparticules) qui composent la matière, les fermions, et treize autres particules, les bosons, qui assurent sa cohésion. Toutes les particules élémentaires prédites par le modèle ont fini par être observées. Toutes sauf une, qui résiste encore et toujours aux expérimentateurs : le boson de Higgs. Et c'est là que le bât blesse. Jusque là cantonnée au statut d'objet mathématique, cette particule est la clé de voûte du Modèle standard. Elle permet d'expliquer certaines incohérences mathématiques et mène à une théorie consistante et extrêmement précise sur le plan prédictif. Le défi du plus puissant accélérateur de particules au monde, le LHC, est justement de détecter la présence du Higgs et prouver ainsi sa réalité physique. Si Higgs existe, alors le Modèle standard sera validé, unifiant ainsi les trois forces fondamentales de l'infiniment petit : les interactions forte, faible et électromagnétique... mais toujours pas la gravitation, qui régit l'infiniment grand.

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Le Higgs ayant une existence bien trop brève pour être détecté directement, seuls les produits de sa désintégration – d’autres particules élémentaires – peuvent attester de sa présence et dévoiler ses caractéristiques inconnues, notamment sa masse. La principale difficulté étant de distinguer, au milieu de la soupe de particules produite à chaque collision, celles qui proviennent effectivement de la désintégration du Higgs de celles qui découlent d’autres phénomènes parasites générés par la collision. Sachant, en outre, que le Higgs peut emprunter plusieurs trajectoires de désintégration, donnant chacune des produits différents, et que la probabilité de chacune de ces trajectoires dépend de la masse du boson… que l’on ne connaît pas a priori.
Une existence statistique
  Simulation d'une détection de boson de Higgs Ainsi un Higgs doté d’une masse de 100 GeV/c2 a une faible probabilité de se décomposer en deux bosons W, mais cette probabilité est beaucoup plus importante si le Higgs « pèse » 170 GeV/c2. Bref, la détection et la caractérisation du Higgs reposent sur un raisonnement statistique exploitant les données collectées pour des millions de collisions successives, et non sur une identification formelle à 100%. Cette méthode statistique a permis aux chercheurs de réduire peu à peu, expérience après expérience, l’éventail des masses possibles pour le Higgs.
Des GeV qui en font des tonnes
En physique des particules, l’électron-volt (eV) est une unité d’énergie beaucoup plus pratique à utiliser que le joule du système international (1eV= 1,60217653×10-19 J). De même, en raison de l’équivalence masse/énergie (E=mc2 donc m=E/c2) démontrée par la relativité restreinte d’Einstein, pour des raisons de commodité, on exprime la masse en électron-volt/c2 (eV/c2) plutôt qu’en kilogramme.    

 Par exemple, l’ancêtre de LHC, le LEP, a permis d’exclure une masse du Higgs inférieure à 114,4 GeV/c2. Une estimation complétée par les derniers résultats fournis par l’accélérateur Tevatron, qui interdisent toute masse comprise entre 147 et 179 GeV/c2 et situent le Higgs dans l’intervalle 115-135 GeV/c2 avec un risque d’erreur de 3%. Enfin, en décembre 2011, les expériences ATLAS et CMS du LHC ont observé des signaux cohérents indiquant la présence d’un Higgs d’une masse de 124 à 126 GeV/c2. La probabilité d’erreur était cette fois ramenée à 0,2%. Le Graal était donc presque à portée, mais en physique des particules, pour affirmer une découverte, la probabilité d'erreur doit être inférieure à 0,00003%.

 C’est le franchissement de ce seuil de significativité statistique qui vient juste d’être annoncé par les responsables des expériences ATLAS et CMS dont les résultats seront prochainement publiés. Mieux, les deux expériences, menées indépendamment, parviennent à une estimation similaire de la masse du boson de Higgs, ce qui renforce leur validité. A savoir, 125,3 GeV/c2 selon l’expérience CMS, et 126,5 GeV/c2 selon l’expérience ATLAS, soit 133 fois la masse du proton, en total accord avec les masses prévisibles par le Modèle standard.
Juste un boson ?
  Désintégration d'un candidat boson de Higgs La quantité totale de données collectées et analysées par ATLAS ayant doublé depuis décembre, il paraissait donc assez probable que ce seuil statistique fatidique serait enfin franchi et que le CERN pourrait annoncer LA détection du fameux boson. Et justifier ainsi les 8,9 milliards € qu’a coûté la construction du LHC.  Mais même si on comprend Peter Higgs, 83 ans, qui considère que cette confirmation expérimentale « est la chose la plus incroyable qui soit arrivée dans sa vie », on ne peut s’empêcher de noter que la « percée » annoncée pour cette conférence consiste plutôt à confirmer et affiner une découverte prévue depuis longtemps. Comme l’a reconnu Fabiola Gianotti, responsable d’Atlas, « ceci n’est qu’un début, nous aurons besoin de plus de données pour commencer à comprendre la nature de cette particule ». Des données qui  permettront peut-être de parachever, mais aussi de dépasser voire d’invalider un Modèle standard dont, à l’instar du mathématicien Alain Connes, « personne ne pense qu’il est le fin mot de l'histoire surtout à cause du très grand nombre de paramètres libres qu'il contient ».   
Yaroslav Pigenet, le 03/07/2012 | Mis à jour le 06/07/2012

Paris, 20 avril 2012

Les insectes sont capables d'élaborer des concepts abstraits
Le cerveau des insectes est capable de fabriquer et de manipuler des concepts(1) abstraits. Il peut même utiliser simultanément deux concepts différents afin de prendre une décision face à une situation nouvelle. Ce résultat totalement inattendu a été obtenu par l'équipe du professeur Martin Giurfa au centre de recherches sur la cognition animale (CNRS/Université Toulouse III - Paul Sabatier)(2). Cette capacité, que l'on croyait propre aux humains et à quelques primates, montre que des analyses cognitives sophistiquées sont possibles en l'absence de langage et malgré une architecture neurale miniaturisée. Ces travaux, publiés dans la revue PNAS, remettent en cause de nombreuses théories dans des domaines tels que la cognition animale, la psychologie humaine, les neurosciences et l'intelligence artificielle.
La cognition humaine, et notamment nos capacités mathématiques et linguistiques, se base sur notre capacité à manipuler des concepts"? Dans la vie de tous les jours, les concepts qui relient des objets distincts par des règles de relation de type « même », « différent », « plus que », « au-dessus de », prennent une place prépondérante. Par exemple, l'automobiliste est guidé par un réseau complexe de concepts : codes couleur, flèches, panneaux... L'utilisation de tels concepts, que l'on a souvent crue propre à l'homme et à quelques primates, pourrait être en fait beaucoup plus répandue dans le règne animal.

Les chercheurs ont en effet montré que les abeilles sont capables de générer puis de manipuler des concepts afin d'accéder à une source de nourriture. Pour cela, ils ont pris un groupe d'abeilles qu'ils ont entraîné à pénétrer dans une enceinte, afin de récolter de la solution sucrée. Dans cette enceinte, les abeilles rencontraient deux stimuli placés chacun sur une cloison. Chaque stimulus était composé de deux images distinctes soit l'une au-dessus de l'autre (voir photo ci-dessous), soit l'une à côté de l'autre. Au milieu de ces paires d'objets était placé un orifice délivrant, soit une récompense, de l'eau sucrée, soit une punition, une goutte de quinine. Ainsi, les abeilles étaient récompensées sur un concept (par exemple « au-dessus de ») et punies sur l'autre (« à côté de »). Les images variaient constamment tout en maintenant les relations « au-dessus de » et « à côté de » ainsi que leurs associations respectives à la récompense et la punition. Au bout d'une trentaine d'essais les abeilles reconnaissaient sans faute la relation qui les guiderait vers l'eau sucrée.

L'un des tests consistait à placer ces mêmes abeilles devant de nouvelles images. Le seul point commun avec les figures de l'entraînement était leur disposition : « l'une au-dessus de l'autre » et « l'une à côté de l'autre ». Les abeilles, bien que n'ayant jamais vu ces nouvelles images, ont choisi correctement la cible en fonction de cette relation d'ordre abstrait.
Mais ce n'est pas tout : lors de l'entraînement, les images au milieu desquelles se trouvait la récompense étaient toujours différentes entre elles (comme sur la photo ci-dessous). Pour savoir si les abeilles avaient aussi appris cette relation de différence, les chercheurs ont confronté les abeilles à des stimuli nouveaux où les images constituantes respectaient la relation récompensée (par exemple « l'une au-dessus de l'autre ») mais qui étaient soit différentes, soit identiques. Les abeilles ont ignoré les stimuli faits d'images identiques, montrant qu'en plus des concepts « au-dessus / au-dessous » et « à côté », elles manipulaient simultanément le concept de « différence » pour prendre leur décision.

Cette étude remet en question l'idée que des cerveaux mammifères (dont le nôtre), plus importants en taille, sont nécessaires à l'élaboration d'un savoir conceptuel. Elle démontre aussi que la formation de concepts est possible en l'absence de langage. D'un point de vue philosophique, elle apporte de nouveaux éléments à la discussion sur ce qui serait propre à l'homme. A l'heure actuelle, l'équipe de Martin Giurfa s'attèle à l'identification des réseaux neuronaux responsables de cette conceptualisation.

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Paris, 12 mars 2012

Des briques moléculaires de la vie primitive découvertes dans une comète artificielle

Les premières molécules de la vie se forment naturellement dans les comètes : c'est ce que suggèrent des travaux menés par une équipe franco-allemande comprenant les groupes d'Uwe Meierhenrich et de Cornelia Meinert de l'Institut de chimie de Nice (Université Nice Sophia Antipolis/CNRS), et de Louis Le Sergeant d'Hendecourt de l'Institut d'astrophysique spatiale (CNRS/Université Paris-Sud). Après avoir fabriqué une comète artificielle, les chercheurs ont analysé ses composants avec une technique unique au monde. Et il est apparu pour la première fois que les comètes pourraient renfermer des molécules qui constituaient la matière génétique primitive : des « acides diaminés » (1). Au croisement de la chimie, de la biologie, et de l'astrophysique, ces travaux soutiennent la thèse selon laquelle les briques élémentaires de la vie ne sont pas apparues sur Terre mais dans l'espace. Ils viennent d'être publiés dans la version en ligne de la revue ChemPlusChem.
Ces analyses s'inscrivent dans le cadre de la grande mission spatiale européenne « Rosetta ». Ce programme a pour objectif de faire atterrir en 2015 une sonde sur la comète Tchourioumov-Guerassimenko pour étudier la composition de son noyau. Pour essayer d'anticiper les résultats de Rosetta, les scientifiques ont imaginé fabriquer une comète artificielle, ou « glace interstellaire/cométaire simulée », et analyser ses constituants.

L'équipe de Louis Le Sergeant d'Hendecourt s'est chargée de fabriquer une micro-comète à l'Institut d'astrophysique spatiale (CNRS/Université Paris-Sud) . Dans des conditions extrêmes semblables à celles de l'espace (-200°C et sous vide), les chercheurs ont condensé, sur un morceau solide de fluorure de magnésium (MgF2), des composés existant dans le milieu interstellaire : des molécules d'eau (H2O), d'ammoniac (NH3) et de méthanol (CH3OH). Cela, en irradiant le tout avec un rayonnement ultraviolet. Au bout de dix jours, ils ont obtenu quelques précieux microgrammes (10-6 grammes) de matière organique artificielle.
Cette matière organique interstellaire simulée a été ensuite analysée à l'Institut de chimie de Nice (Université Nice Sophia Antipolis/CNRS) par l'équipe d'Uwe Meierhenrich et de Cornelia Meinert. Cela, avec une technologie très performante : un « chromatographe multidimensionnel en phase gaz » (un « GCxGC/TOF-MS »). Installé à Nice en 2008, cet appareil permet de détecter dix fois plus de molécules dans un échantillon qu'un chromatographe traditionnel dit « monodimensionnel ».

Grâce à leur technologie, les chimistes ont pu identifier vingt-six acides aminés dans la comète artificielle. Là où les précédentes expériences internationales avaient trouvé seulement trois acides aminés. Plus important, ils ont aussi découvert ce que personne n'avait observé avant eux : six acides diaminés, dont - surtout - la N-(2-Aminoethyl)glycine. Un résultat révolutionnaire. Car ce dernier composé pourrait être un des constituants majeurs de l'ancêtre de l'ADN terrestre : la molécule d'acide peptidique nucléique (APN).

Primordiaux, ces résultats indiquent que les premières structures moléculaires de la vie auraient pu se former dans le milieu interstellaire et cométaire, avant d'atterrir sur la Terre primitive lors de la chute de météorites et de comètes.

L'étape suivante : déterminer les conditions de pression, de température, de pH, etc., dans lesquelles la N-(2-Aminoethyl)glycine a pu ensuite former de l'APN. Pour mener à bien ce nouveau projet, les chercheurs ont déjà commencé à constituer une collaboration avec deux grandes équipes, l'une américaine et l'autre, anglaise.

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PHOTO:

Chromatogramme de la glace cométaire réalisé avec le « chromatographe multidimensionnel en phase gaz ». Chaque pic correspond à un acide-aminé. Plus le pic est haut, plus la quantité d'acide-aminé présente est importante.
ChemPlusChem, 77 (2012)