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Questions fréquentes sur le Higgs et ses limites d'exclusion pour la conférence EPS-HEP 2011
Cette note s'inspire d'un article que prépare le Comité des directives scientifiques du CERN pour apporter aux membres du Conseil du CERN des informations de base sur la signification scientifique des éventuelles zones d'exclusion du boson de Higgs du modèle standard attendues avant la conférence EPS-HEP de juillet 2011. Les italiques signalent des détails plus techniques.
Bien que pour le grand public la mission du LHC soit de découvrir le boson de Higgs, son rôle est en réalité bien plus vaste et embrasse l’exploration scientifique du domaine d’énergie du TeV. Il s’agit là d’une entreprise qui compte parmi ses éléments essentiels l’une des questions ouvertes les plus troublantes de la physique : « pourquoi les masses des bosons W et Z et du quark t sont-elles d’environ 100 fois la masse du proton, tandis que celle du photon est nulle? » En termes plus techniques il s’agit de « découvrir le mécanisme de brisure de la symétrie électrofaible ». La découverte d’un boson de Higgs léger tel que prédit par le modèle standard n’est que l’un des résultats possibles de cette entreprise. Ce que l’on découvrira en fin de compte dépend du moyen adopté par la Nature pour élaborer cette énigme déconcertante. Cependant, des arguments généraux basés sur des principes fondamentaux tels que la conservation de la probabilité totale (l’unitarité en termes techniques) nous rendent confiants que le LHC, en explorant la gamme d’énergie du TeV, nous apportera la réponse d’une manière ou d’une autre.
Les informations relatives à l’existence ou l’absence du boson de Higgs prédit par le modèle standard ont été jusqu’à présent obtenues de deux façons. Les recherches directes de la production et de la désintégration des bosons de Higgs aux collisionneurs LEP et Tévatron ont prouvé qu’il est statistiquement improbable que le boson de Higgs du modèle standard possède une masse inférieure à 114 GeV ou comprise entre 158 et 173 GeV. Ces limites correspondent à un degré de confiance de 95%. La preuve indirecte de l’existence du boson de Higgs du modèle standard s’obtient en tenant compte des effets attendus de processus mettant en jeu des « bosons de Higgs virtuels » dans un grand nombre de réactions mesurées avec précision dans les collisionneurs LEP, SLC et Tévatron. Cette analyse suggère que si le modèle standard décrit correctement la physique dans la région du TeV il est statistiquement improbable que la masse du Higgs dépasse 158 GeV. Cette limite correspond à un degré de confiance de 95%. Précision technique sur le sens à donner à ce seuil de confiance de 95% : s’il se trouve que le boson de Higgs du modèle standard existe réellement et possède une masse définie, on a une probabilité inférieure à 5% que des fluctuations statistiques dans les données expérimentales (ou le « manque de chance ») conduisent à ce que ladite masse puisse néanmoins être exclue avec un degré de confiance de 95%.
Dénicher le boson de Higgs du modèle standard constituerait indubitablement une très importante découverte et dans un tel cas « l’étalon-or » de signifiance statistique est normalement exigé : la probabilité que tout signal observé soit le résultat d’une fluctuation statistique plutôt que d’une authentique découverte doit être nettement inférieure au millionième. En termes techniques on dit que le signal doit être significatif au niveau de 5 écarts-type. Toutefois, l’exclusion du boson de Higgs du modèle standard dans son domaine de masse permis par ailleurs, avec pour corollaire l’invalidation du modèle standard dans sa forme actuelle, constituerait une découverte encore plus importante, pour laquelle la même exigence de signifiance statistique sévère (5 écarts-type) doit être appliquée.
Sur la base du volume de données attendues au Tévatron et au LHC d’ici à fin 2012 (autour de 10 fb-1 de luminosité intégrée pour chacune des expériences ATLAS, CMS, CDF et DØ) nous atteindrons une sensibilité combinée de 5 écarts-type pour un boson de Higgs du type modèle standard pour toute masse comprise entre 114 et 600 GeV. Note technique : diverses extensions envisageables et relativement mineures du modèle standard permettraient de concilier les preuves indirectes des mesures de précision avec la découverte d’un boson de Higgs de masse supérieure à 173 GeV. Par contre, une masse du Higgs supérieure à environ 600 GeV exigerait le remplacement du modèle standard par une théorie plus complète – recourant à l’interaction forte dès l’échelle du TeV - dont le LHC permettrait l’étude. Les connaissances acquises au Tévatron et au LHC sont complémentaires à plusieurs titres. Détails techniques : la zone juste au-dessus de 114 GeV est la région la plus difficile dans la recherche combinée Tévatron-LHC du boson de Higgs, il se trouve que d’après les données disponibles c’est aussi la plus plausible. Dans cette région, le mode de désintégration dominant du Higgs du modèle standard produit une paire formée d’un quark b et de son antiquark. Ce mode de désintégration est particulièrement difficile à observer au LHC du fait des bruits de fond des autres réactions du modèle standard qui incluent des quarks b. Dans cette région de masse, le mode qui au LHC présente la meilleure sensibilité est la désintégration du boson de Higgs en deux photons. Elle offre dans les expériences une signature très claire, mais le modèle standard ne lui attribue qu’un très petit rapport d’embranchement. Au Tévatron, par contre, le mode dominant de désintégration du boson de Higgs du modèle standard, qui comprend un quark b, est visible au-dessus du bruit de fond dans les événements pour lesquels le boson de Higgs est produit en association avec un boson vecteur W ou Z. Avec 10 fb-1 par expérience, le Tévatron devrait présenter une sensibilité pour l’exclusion du Higgs à un degré de confiance de 95% jusqu’à une section efficace de seulement 0,7 fois celle que prédit le modèle standard et le LHC jusqu’à 0,5 fois cette même section efficace. La combinaison des résultats du Tévatron et du LHC apportera la sensibilité à 5 écarts-type requise. Au moment de la conférence EPS-HEP de 2011, les collaborations au LHC auront analysé un ensemble de données (environ 1 fb-1 de luminosité intégrée) représentant le dixième du total attendu à fin 2012. Sur une grande partie de la gamme des masses possibles du boson de Higgs la sensibilité combinée Tévatron plus LHC sera donc loin des 5 écarts-type requis. De ce fait, l’été 2011 représentera une période de « travail en cours », tandis que des réponses définitives paraissent nettement plus probables pendant l’été 2012. En plus grand détail : au niveau statistiquement bien moins exigeant de sensibilité correspondant à un degré de confiance de 95%, il est probable que la région des masses du boson de Higgs proches de 114 GeV pourrait commencer à être couverte, en plus de la zone allant de quelque 130 GeV à environ 300 GeV. De tels résultats, sans pourtant être définitifs – car n’atteignant pas la sensibilité requise de 5 écarts-type sur la totalité de la gamme des masses – n’en seraient pas moins très intéressants.
Dans un avenir plus lointain, si un boson de Higgs léger du modèle standard devait en fin de compte être exclu au niveau de 5 écarts-type, il serait nécessaire de poursuivre les recherches directes des particules de Higgs ou des autres signaux que prévoient des théories autres que le modèle standard. Par exemple, de nombreuses théories incluant la supersymétrie ou des dimensions supplémentaires prédisent l’existence de particules qui ressembleraient au boson de Higgs du modèle standard, mais ne produiraient que moins fréquemment des signaux expérimentalement décelables au Tévatron ou au LHC. Il faudrait donc étendre la recherche à de plus vastes échantillons de données du LHC dans lesquels ces signaux plus rares pourraient devenir détectables. En outre, il serait crucial d’étudier la diffusion des paires de bosons vecteurs massifs (WW, WZ et ZZ). Les composantes « longitudinales » de ces bosons vecteurs sont particulièrement intéressantes car elles apparaissent du fait de leurs masses non-nulles et donc de leur couplage avec le secteur de la brisure de la symétrie électrofaible. Avec l’énergie et la luminosité suffisantes, la diffusion des bosons vecteurs massifs peut apporter des informations sur ce qui remplace le Higgs du modèle standard pour faire en sorte que la probabilité totale soit conservée (En langage plus technique, pour empêcher que les amplitudes de couplage faible pour les diffusions WW, WZ et ZZ ne violent l’unitarité). Les analyses disponibles suggèrent qu’une telle étude demanderait plusieurs années d’exploitation du LHC à son énergie nominale de 14 TeV. Evidemment, toutes ces discussions de limites d’exclusion ne doivent pas nous faire oublier que la découverte d’un état identifiable au boson de Higgs du modèle standard constituerait un grand triomphe qui exigerait de longues investigations expérimentales complémentaires au LHC afin de confirmer qu’il présente bien les couplages attendus pour un boson de Higgs du modèle standard.
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