L'incroyable quête de la particule de Dieu

[haddou]

Le prix Nobel de physique vient d’être attribué au Japonais Takaaki Kajita et au Canadien Arthur B.McDonald pour leurs recherches sur les neutrinos, ces particules qui nous traversent chaque jour, par trillions. En démontrant que ces « passe murailles » possèdent une masse, les travaux des deux scientifiques secouent le « modèle standard » de la physique. L’année dernière, la découverte du fameux boson de Higgs (récompensé par le Nobel 2014 !) était pourtant venue renforcer ce modèle standard. Marianne avait, à l’époque, consacré six pages à cette incroyable quête de la « particule de Dieu ». Puisque les temps sont à la physique des particules, nous re-publions ici ce petit polar scientifique, qui met en scène deux équipes de cerveaux passionnés s’affrontant pendant plusieurs décennies pour découvrir le Graal des scientifiques.

« Je crois que je vais vous faire la même réponse que beaucoup de gens ici. A savoir que j'ai cherché le boson de Higgs toute ma vie. » Dans son bureau spartiate, au Laboratoire européen pour la physique des particules (Cern), Joe Incandela laisse danser ses mains en égrenant les étapes du parcours qui, de l'université de Chicago au laboratoire Fermi (Illinois), l'ont mené jusqu'à ce bureau avec vue sur la banlieue genevoise. Sur un bout d'étagère traîne une bouteille de champagne aux couleurs du Cern, témoignage non débouché des récents succès scientifiques de l'hôte des lieux. « Pour tout dire, j'ai même un souvenir très net qui remonte à quand j'avais... 10 ans ! J'étais dans ma chambre d'enfant, et je me demandais ce qui resterait si on enlevait tout dans l'espace autour de moi, les murs, les objets, l'air - tout. » Il fronce d'épais sourcils sous ses lunettes en écaille. « Finalement, je n'ai fait que ça depuis : étudier cette notion fascinante du vide. Car étudier le boson de Higgs, c'est scruter le vide. »

Guido Tonelli, Toscan de 62 ans, physicien - qui n'a « jamais cessé de se poser les questions que l'on pose, enfant, à ses parents » - fait, lui, rouler des "r" rieurs en convoquant ses propres souvenirs « antédiluviens » : « C'était à la fin des années 80, on était une poignée d'allumés, ici, au Cern, à rêver d'une découverte énorme. On griffonnait sur les serviettes en papier de la cafétéria nos plans pour débusquer "le Higgs" [c'est ainsi que disent les spécialistes]. Quand on est allés présenter ça, genoux tremblants, aux scientifiques seniors du Cern, dont les prix Nobel Carlo Rubbia et Jack Steinberg, ils nous ont douchés : "Oubliez. Ça ne tient pas debout, votre truc." » Tonelli dit d'une voix chaude : « Ils avaient raison, vous savez. A l'époque, on ne disposait pas de la technologie nécessaire pour réaliser nos plans. »

Trente ans et un accélérateur de particules à 9 milliards d'euros plus tard, les serviettes en papier griffonnées se sont transformées en cartons entiers de publications fructueuses, et « la bande d'allumés », a mué en une armée de scientifiques victorieux. Ou plutôt : en deux armées de soldats du Higgs, deux fois 3 000 physiciens de tous âges, qui, des années durant, se sont affrontées dans les deux ailes d'un même bâtiment du Cern, jointes, en leur centre, par une cafétéria - encore elle ! -, lieu des cessez-le-feu temporaires, d'échanges professionnels hypermaîtrisés, et d'espionnages plus ou moins amicaux. Deux équipes, donc, lancées dans une quête façon Faucon maltais, pour dénicher une particule tissée « dans cette matière dont sont faits les rêves », comme le dit Boggart, paraphrasant Shakespeare, dans le célèbre polar de Huston sur la recherche d'une statue légendaire.

« Particule de Dieu »

Car le boson de Higgs n'est pas n'importe quelle particule. Son existence fut imaginée en 1964, par l'Ecossais Peter Higgs et les Belges François Englert et Robert Brout (décédé depuis), dans une sorte de fulgurance théorique pour valider le « modèle standard », notre mode d'explication de tous les phénomènes de l'Univers (création d'atomes, couleur du ciel, lumière, etc.). Le problème, c'est que, dans cette construction scientifique, dans ce « modèle standard » jamais pris en défaut par l'expérience, les particules n'ont pas de masse. Pour expliquer que notre Univers permette tout de même la création de matière, Higgs, Englert, et Brout ont donc supposé, il y a cinquante ans, l'existence d'une particule d'un genre très particulier, jamais observée mais présente partout, et dont le couplage avec ses congénères leur fournirait une masse. Géniale intuition.

Sauf que, jusqu'à l'année dernière, personne n'avait réussi à prouver l'existence de la pièce manquante du puzzle, la « particule de Dieu », selon la formule attribuée au physicien Leon Lederman. Le scientifique a démenti, plus tard, s'être laissé aller à un tel raccourci médiatico-mystique - il jure n'avoir parlé que de « nom de Dieu de particule ! » (« Goddamn particle ! ») pour son caractère introuvable -, mais qu'importe : l'expression avait pris, alimentant la mythologie du boson de Higgs, baleine blanche de la physique contemporaine. « En un sens, la formule déformée de Lederman est quand même justifiée, note le physicien français Bruno Mansoulié, qui possède la barbe poivre et sel du capitaine Achab, et sa ténacité aussi (vingt années de traque du boson au Cern et au Commissariat à l'énergie atomique). C'est le Higgs qui permet la création de matière. Dans ce sens là, oui, la référence divine se comprend. Pour le reste, c'est à chacun selon sa foi ! »

Nobel en chocolat

De la foi, justement, il en a fallu, et par gigaélectronvolts, à Joe, Guido, Bruno et les autres pour débusquer le Higgs. Prouver son existence a notamment nécessité de concevoir un accélérateur de particules dantesque, le plus gros au monde, puis de lever les fonds nécessaires à sa construction. Vingt ans et 9 milliards d'euros furent nécessaires à la mise sur pied du grand collisionneur de hadrons (LHC), 27 km de circonférence sous le Cern, à la frontière franco-suisse. Son principe : envoyer deux faisceaux de protons à très haute énergie l'un contre l'autre, puis scruter sous toutes les coutures les effets produits par ces collisions, afin d'isoler un excès d'événements, un signal nouveau à interpréter, qui serait dû à l'interaction entre les particules et le boson de Higgs. Le tout, en prenant garde, bien sûr, à ne pas s'emballer au premier « signal » venu qui, dans l'écrasante majorité des cas, se révèle être un « bruit de fond » ou une fluctuation passagère...

Impossible de laisser une telle expérience - dont les implications sont pourtant, précisons-le, purement fondamentales ! - dans les mains d'une seule équipe, même talentueusement dotée. Pour que les résultats soient sûrs et valables, il a fallu, en 1997, constituer deux camps adverses, Atlas et CMS, nommés d'après le nom des deux détecteurs du LHC, construits par deux escouades différentes, selon des méthodologies différentes. « Dès le départ, ce fut comme deux chevaux de course à qui on venait d'ouvrir les portes », se souvient Joe Incandela, porte-parole (c'est-à-dire le chef de file) de CMS depuis janvier 2012. « L'émulation était extrême, confirme Tonelli (le prédécesseur d'Incandela jusqu'en décembre 2011). Avec Fabiola Gianotti, la porte-parole d'Atlas, nous partagions quelques dîners amicaux... mais silencieux. L'enjeu était tellement énorme : on ne pouvait pas se permettre de biaiser l'expérience par légèreté ou par curiosité. »

En décidant de n'attribuer le Nobel qu'aux théoriciens du boson de Higgs, le comité a choisi d'ignorer ces 6 000 physiciens qui, des années durant, ont consacré leur carrière, week-ends compris, à en prouver l'existence, malgré le scepticisme des uns et les haussements de sourcils des autres. Mais les physiciens du Cern sont beaux joueurs. « Le comité a probablement eu peur de créer une jurisprudence en décernant un titre collectif, et d'être, par la suite, la cible de pressions des centaines d'organismes scientifiques », conjecture Bruno Mansoulié. « Ç'aurait été la cerise sur le gâteau, mais notre heure de gloire à nous, notre apothéose était passée. Croyez-moi, on a eu notre dose », s'amuse Tonelli, à qui un étudiant a offert, le jour de la décision du comité... un Nobel en chocolat !

La bosse de Pâques

« Sa dose », comme il dit, il l'a eue, le physicien des montagnes calcaires de l'Italie centrale. Sa dose d'émotions, de joies et de désillusions. « Aujourd'hui, cette folle expérience peut apparaître comme la grande marche triomphante d'Aïda, poursuit ce fils d'une famille d'ouvriers. Pourtant, quand je regarde toutes ces années de quête, la majorité de la période fut dominée par la peur. Peur de se tromper. Peur que la théorie se révèle fausse. Que le LHC soit trop agressif...» Peur aussi de se faire humilier par l'équipe d'en face. Mme Tonelli se souviendra sans doute toute sa vie du week-end de Pâques de 2011. « Je sortais d'une période de travail totalement acharné, et j'avais promis trois jours de repos à ma femme, ordinateur éteint, raconte notre Italien barbu, qui avait réservé un hôtel charmant à Saint-Tropez. Deux heures avant de prendre la route, je reçois un e-mail : un blogueur venait de publier un article affirmant que le groupe Atlas était sur le point de publier des résultats majeurs, que leurs dernières données montraient une bosse qui témoignait de l'existence du boson. » Ciao, les promenades sur le port et les glaces chez Sénéquier ! L'homme a dû annuler sur-le-champ sa réservation et convoquer une réunion immédiate. « C'était la panique. » A la fin, le signal s'est révélé n'être qu'une fluctuation. Aussitôt apparue. Aussitôt disparue. Soulagement chez CMS. Douche froide chez Atlas...

Pourtant, le Higgs n'était plus très loin. Fin 2011, un signal, très faible, se fait persistant. « Pour moi, ce sont les plus beaux moments, une émotion indépassable, se remémore Tonelli. Vous travaillez avec quelques personnes, jour et nuit, et vous passez en revue tous les biais, toutes les erreurs systématiques qui pourraient expliquer que vous êtes dans l'erreur. A un certain moment, vous concluez qu'il n'y en a pas... Je me rappelle des yeux des jeunes : ils brillaient. On parlait de choses profondément techniques, mais leurs yeux brillaient. » L'Italien date de cette époque sa certitude que CMS tenait le Higgs.



.

[haddou]

suite

« Il est là, et il est beau »

En prenant son relais, en janvier 2012, Joe Incandela, lui, n'est alors sûr de rien. « J'étais trop habitué aux signaux qui vont, qui viennent, et qui repartent... » Une nouvelle phase d'expérimentation est lancée, avec enregistrement des données « à l'aveugle », et révélations des résultats - on dit aussi « ouverture des boîtes » - le 15 juin 2012. Au fil des mois, l'excitation, le stress, le doute, la certitude, la fébrilité montent. « Le 15, j'étais en réseau avec l'un des groupes de CMS, pendant que ses membres découvraient les résultats, chacun, en simultané, devant son écran, aux quatre coins du monde, rapporte Incandela. Je les ai entendu tous crier. Et, dans ce vacarme, je me souviens nettement de Chiara, une scientifique italienne, qui s'est exclamée de sa voix grave : "Nous avons ouvert la boîte, il est là, et il est beau." Je lui ai demandé une capture d'écran de ses résultats. Quand j'ai vu, j'étais tellement ému... Pendant environ dix minutes. Et après : l'angoisse. J'ai dû dormir une ou deux heures cette nuit-là. Je réalisais tout ce qu'il y avait à faire. »





Très vite, le directeur général du Cern, Rolf-Dieter Heuer, fixe la présentation des résultats au 4 juillet, date à laquelle doit se tenir à Melbourne la Conférence internationale de physique des hautes énergies, dont une partie, pour l'occasion, sera diffusée depuis le Cern. D'ici là, la somme des données à analyser, confirmer, interpréter semble surhumaine, et l'étanchéité absolue entre les deux équipes reste plus indispensable que jamais. En effet, l'autosuggestion, la crainte, le manque de vigilance - bref : le biais par la connaissance des résultats de l'autre - constituent les ennemis mortels d'une expérience valide. « J'ai dit à mes équipes : "Nous allons présenter un résultat majeur. La clé de la science est que les deux expériences sont indépendantes. Je ne veux pas savoir ce qu'ils ont chez Atlas. Vous-mêmes, ne cherchez pas à savoir ; ignorez le moindre ragot. Pensez à vos petits-enfants, quand vous leur raconterez que vous en étiez. Réfléchissez, c'est un moment historique. Et vous voulez pouvoir dire que vous avez fait la bonne chose." » Personne n'a parlé.

Puis vient le 4 juillet. La nuit précédant le symposium, des dizaines d'étudiants vont jusqu'à camper devant l'auditorium pour être sûrs d'avoir une place - beaucoup devront quand même assister à la retransmission depuis une salle attenante. « A part Joe et Fabiola, qui se sont vus brièvement au cours des dernières semaines, personne n'était au courant de ce qu'avait obtenu l'autre équipe, se souvient Mansouilé. Mais chacun pressentait qu'on allait vivre un grand moment. Et en voyant que Higgs et Englert étaient dans la salle, on s'est dit que ça y était ! »

C'est Incandela qui prend la parole en premier, pour annoncer, au terme d'un exposé en ébullition, que CMS a bien identifié un excès d'événements, qui indique l'existence d'un boson inconnu, le Higgs, avec une précision de 4,9 sigma (mesure du risque d'erreur) - le critère de l'irréfutabilité en physique des particules étant de 5 sigma, c'est-à-dire une chance d'erreur sur... 3 millions. La salle explose en applaudissements interminables. Ils retentissent une seconde fois, et plus fort encore, quand la brune Gianotti annonce quelques minutes plus tard qu'Atlas est arrivé à la même conclusion avec la précision ultime des 5 sigma. Fracas de hourra, cataracte de bravos. Petite larme de Higgs. « C'était fabuleux, raconte Incandela. Il n'y a pas un jour de ma vie où je ne repense pas à ce 4 juillet. »

« Higgs blues »?

Et maintenant ? Maintenant, qu'est-ce qu'être un physicien qui a cherché une particule toute sa carrière et a fini par la trouver ? « Oh, j'ai bien eu des petits moments de "Higgs blues", comme un syndrome post-partum, plaisante le Français Mansoulié. Mais nous avons une chance : non seulement nous avons trouvé ce qui était prédit, mais notre découverte pose de nouvelles questions. » Puis le physicien de s'enflammer pour les défis de la « matière noire », ce champ de la physique encore si énigmatique (lire l'encadré). Tonelli, évoque, lui aussi, les atours mystérieux de cette énergie noire, qui nous entoure et dont on sait si peu. Pareil pour Incandela. Puis, véridique : tous précisent que, pour ce défi-là, il y en a encore peut-être « pour vingt ou trente ans ». Ainsi va la vie des Sysiphe heureux de la recherche fondamentale.



Trois mystères encore entiers
Maths - Les nombres premiers
Ces fameux nombres qui ne sont divisibles que par 1 et par eux-mêmes (1, 2, 3, 7, 11, etc.) demeurent une véritable énigme, car personne n'a encore réussi à modéliser leur apparition lorsqu'on compte. On sait juste que plus on avance, plus ces spécimens se raréfient. Le plus grand d'entre eux vient d'être découvert à l'université du Missouri central, à Warrensburg, par l'équipe de Curtis Cooper. Ce nombre, qui aligne plus de 17 millions de chiffres, a rapporté... 3 000 dollars à ses dénicheurs. La prochaine étape (mise à prix, cette fois : 250 000 dollars) est d'en débusquer un à 100 millions de chiffres. Si vous avez un peu de temps...

Physique - La matière noire
Hypothèse posée par les astrophysiciens depuis quelques décennies, l'existence d'une énigmatique « matière noire » expliquerait la formation des galaxies ainsi que la structuration de l'Univers en amas de galaxies. Cette matière sombre, jusqu'à aujourd'hui encore jamais observée, représenterait 90 % de l'Univers... C'est, selon beaucoup de chercheurs (et notamment ceux que nous avons rencontrés au Cern), le prochain grand défi de la physique des particules.

Biologie - Les homozygotes
C'est un des mystères les plus anciens et les plus persistants de la génétique : comment se fait-il que, parfois, un seul et même ovule fécondé se divise en deux pour former de «vrais jumeaux», qui partagent le même ADN ? Ce phénomène, vieux comme Romulus et Remus, est étudié dans de nombreux laboratoires et universités à travers le monde.
« Il est là, et il est beau »

En prenant son relais, en janvier 2012, Joe Incandela, lui, n'est alors sûr de rien. « J'étais trop habitué aux signaux qui vont, qui viennent, et qui repartent... » Une nouvelle phase d'expérimentation est lancée, avec enregistrement des données « à l'aveugle », et révélations des résultats - on dit aussi « ouverture des boîtes » - le 15 juin 2012. Au fil des mois, l'excitation, le stress, le doute, la certitude, la fébrilité montent. « Le 15, j'étais en réseau avec l'un des groupes de CMS, pendant que ses membres découvraient les résultats, chacun, en simultané, devant son écran, aux quatre coins du monde, rapporte Incandela. Je les ai entendu tous crier. Et, dans ce vacarme, je me souviens nettement de Chiara, une scientifique italienne, qui s'est exclamée de sa voix grave : "Nous avons ouvert la boîte, il est là, et il est beau." Je lui ai demandé une capture d'écran de ses résultats. Quand j'ai vu, j'étais tellement ému... Pendant environ dix minutes. Et après : l'angoisse. J'ai dû dormir une ou deux heures cette nuit-là. Je réalisais tout ce qu'il y avait à faire. »



Le Cern, ce phalanstère de héros collectifs

Particularité des deux expériences, Atlas et CMS, menées parallèlement au Cern pour trouver le boson de Higgs : toutes les publications scientifiques qui en ont découlé - jusqu'à la découverte de la fameuse particule - ont été signées par l'intégralité des 3 000 participants de chaque « équipe ». Impossible, dès lors, de starifier Untel ou Untel... « C'est totalement inédit, confirme Bruno Mansoulié, responsable des publications pour Atlas. Même si ça n'est pas sans poser parfois quelques problèmes, surtout pour les jeunes physiciens, qui, pour postuler ailleurs, ne peuvent pas produire d'articles où ils ne soient pas noyés dans la masse. » N'empêche. Certains scientifiques jugent qu'en n'attribuant pas le Nobel au Cern en même temps qu'aux deux théoriciens du boson de Higgs le comité norvégien a raté une occasion de récompenser cette autre façon de faire de la science.



Marianne