Higgs10 : inventer le futur de la recherche sur le Higgs

En 1975, trois théoriciens du CERN, John Ellis, Mary K. Gaillard et Dimitri Nanopoulos, ont entrepris la première étude approfondie de la phénoménologie du collisionneur du boson de Higgs. Près de 40 ans plus tard, il a été découvert au LHC. Maintenant, dix ans plus tard, pourrions-nous avoir une telle prévoyance à long terme pour anticiper les voies variées que pourraient suivre les futures recherches sur le Higgs ?

Le 4 juillet 2022, profitant des nombreuses et belles présentations du symposium Higgs@10, une phrase ne cessait de résonner à mes oreilles : « Compatible avec les prédictions du modèle standard (SM) ». Les sonnettes d’alarme sonnaient. Ah bon? Sommes-nous sûrs ? Que le Higgs ressemble ou non au SM est une question qui façonnera l’avenir expérimental de la recherche sur le Higgs.

Nous pouvons quantifier une réponse à travers le langage de la théorie des champs effectifs, qui est une manifestation mathématique de la notion selon laquelle la manière la plus efficace de décrire un objet dépend de l’échelle de longueur à partir de laquelle vous le visualisez. Pour les astronautes, la Terre est très bien décrite comme une sphère lisse. Pour les étudiants d’été en randonnée au Reculet, ce n’est pas le cas. Il en va de même pour le monde quantique. Loin d’être un atome neutre, il apparaît effectivement comme une particule ponctuelle avec quelques interactions multipolaires restantes avec les photons. À des distances plus courtes, en pénétrant parmi les électrons, cette description échoue complètement.

Idem le Higgs. Quoi qu’il se passe là-dedans, à des énergies suffisamment proches de mh, il est effectivement décrit comme une particule ponctuelle avec une poignée d ‘«opérateurs» supplémentaires, qui sont essentiellement de nouvelles interactions de particules qui ne sont pas contenues dans le SM (ne figurent pas sur ce mug ou T-shirt) mais impliquent des particules SM. À l’œil nu, l’astronaute peut être en mesure de distinguer certaines caractéristiques de la Terre et de supposer qu’il peut y avoir des montagnes, mais il ne peut pas réellement estimer le gain d’altitude des élèves. De même, les opérateurs de Higgs non-SM peuvent capturer les effets résiduels à longue distance des entrailles microscopiques du Higgs, mais ne révèlent pas toute leur gloire en détail. Si tous ces opérateurs supplémentaires disparaissent, le Higgs ressemble à SM. Considérons deux exemples triés sur le volet et examinons à quel point le Higgs ressemble à SM …

À quel point est-il “flou” ? Est-il ponctuel jusqu’aux plus petites échelles de distance ou est-il, comme le pion, composé d’autres nouvelles particules non encore identifiées ? Dans ce dernier cas, tout comme pour les pions et leurs quarks et gluons constitutifs, l’observation directe de la nouvelle matière nécessiterait d’aller à des énergies plus élevées. Alternativement, il pourrait être ponctuel, mais le sonder de près peut révéler les indices révélateurs d’un nuage de nouvelles particules avec lesquelles il interagit. Pour votre intérêt, l’opérateur qui peut capter ces propriétés s’écrit (∂μ|H|2)2. S’il disparaît, le Higgs est entièrement ponctuel. Sinon, c’est plus flou que prévu. À quel point est-ce flou ? Les mesures actuelles de couplage de Higgs au LHC suggèrent qu’il est effectivement ponctuel jusqu’à une échelle de longueur à peine un facteur trois en dessous de l’échelle électrofaible. Cela pourrait encore être très flou en effet! Aussi flou qu’un pion. Si c’est le cas, à peine un Higgs de type SM ! Nous devons faire mieux et, grâce à des mesures de couplage beaucoup plus précises au niveau de 0,2 %, une future usine de Higgs comme la FCC-ee pourrait déterminer si le Higgs est ponctuel jusqu’au niveau de 6 %.

Le Higgs se trouve-t-il attirant ? Oui, selon le SM. Nouveau signifie que les particules ont de nouvelles forces et il s’ensuit que si le boson de Higgs interagit avec de nouvelles particules lourdes, elles généreront une nouvelle force entre le boson de Higgs et lui-même. L’opérateur qui capture effectivement ceci est |H|6 et il façonne littéralement la manière dont le champ de Higgs a donné de la masse aux particules pendant la naissance même de notre univers ! Alors, à quel point l’auto-attraction de Higgs ressemble-t-elle à SM ? Avec les contraintes expérimentales actuelles, nous savons que l’auto-attraction de Higgs pourrait être 530% plus forte que la valeur SM (pas simplement l’auto-attraction, plus comme la vanité pure et simple) ou même -140% moins (auto-répulsif, plus comme). A peine SM-like dans les deux cas! Pour savoir si l’auto-attraction est de type SM, nous devons faire beaucoup mieux. Une future installation, comme le FCC-hh, le CLIC ou un collisionneur de muons, pourrait sonder l’auto-attraction au niveau beaucoup plus précis de 5 %.

Le solitaire est une vertu ; la complaisance ne l’est pas. Il est beaucoup trop tôt pour appeler l’heure à la barre pour le boson de Higgs. Qui sait, nous pourrions même être servis avec quelque chose de complètement inattendu, comme une nouvelle fenêtre sur le secteur sombre de l’univers. Explorer véritablement toutes les facettes de la nature du boson de Higgs, comprendre s’il est ou non de type SM, prendra du temps (mesuré en décennies) et beaucoup de travail acharné. Mais cela peut et doit être fait. C’est l’avenir expérimental de la recherche sur le Higgs que nous attendons avec impatience.

Cela dit, ce n’est un secret pour personne que de nombreux théoriciens s’attendaient à ce que le Higgs ressemble beaucoup moins à SM qu’il n’y paraît déjà. Têtes dûment écorchées, un coup d’État théorique est désormais silencieusement en cours. Il y avait de bonnes raisons de s’attendre à quelque chose de différent : principalement le problème de la hiérarchie. Ce problème n’est pas simplement esthétique. Le SM se décompose à des énergies élevées, faisant finalement des prédictions pathologiques, il ne peut donc s’agir que d’une description efficace de la théorie des champs à longue distance de quelque chose d’autre de plus fondamental. Si, comme c’était le cas pour les pions, la masse de Higgs est déterminée par les paramètres les plus fondamentaux, alors pour le Higgs, il n’y a pas de mécanisme pour le garder plus léger que l’échelle de masse des nouvelles particules dans cette théorie. Pourtant, les collisionneurs nous disent qu’il y a un écart entre la masse du Higgs et celle de ces nouvelles particules. Dans le passé, cela a motivé la découverte et le développement de nouveaux mécanismes pour expliquer un Higgs léger, comme la vénérée supersymétrie à basse échelle, jusqu’ici absente à la fête de la physique du LHC, avec son Higgs non-SM qui l’accompagne.

Brusquement réveillés par le déluge de complots d’exclusion, le café sentait à contrecœur, les théoriciens ont, ces dernières années, mis en avant ce qui pourrait bien s’avérer être des développements théoriques révolutionnaires. Le problème de la hiérarchie n’a pas disparu et les données non plus, de sorte que les autres hypothèses fondamentales injectées secrètement dans les anciennes théories, souvent liées à la symétrie ou à des principes esthétiques tels que la simplicité ou la minimalité, ont été interrogées et jugées insuffisantes. En réponse, de nouvelles classes de théories intrépides ont été développées qui peuvent résoudre le problème de la hiérarchie tout en étant compatibles avec toutes ces intrigues d’exclusion gênantes. Ils vont de modifications conceptuelles relativement modestes des structures existantes à l’abandon des principes esthétiques, puis de l’autre côté aux tentatives de relier la masse du Higgs aux origines de l’univers, à la cosmologie, à la nature du Big Bang et , à l’extrême, des spéculations sur les liens possibles entre la masse de Higgs et l’existence de la vie elle-même. Vous l’appelez, nous allons audacieusement.

C’est non fait accompli. Aucune de ces idées n’est aussi enivrante que la supersymétrie ou aussi stupéfiante que des dimensions supplémentaires, chacune laissant à ceux qui les étudient davantage le sentiment de “regarder cet espace” que l'”eurêka” dont jouissait Archimède. Diversement, ils ne sont pas assez radicaux, trop radicaux ou simplement pas au goût. Aucun moment de Goldilock pour l’instant. Cependant, à mon avis, ces questions sont source d’espoir. Dans des moments similaires dans le passé, nous avons été essentiellement sur la bonne voie, ayant dû attendre un peu plus longtemps que prévu les données expérimentales de confirmation (quark top). À d’autres moments, les bonnes idées ont été trop radicales pour que la plupart puissent les assimiler en une seule séance (mécanique quantique). Pourtant, pour d’autres, les approches correctes ont langui dans une relative obscurité bien trop longtemps, simplement parce qu’elles n’étaient pas à la mode (théorie quantique des champs). Consultez les citations des articles originaux de Brout-Englert, Higgs, Guralnik-Hagen-Kibble ou “A Model of Leptons” de Weinberg, tous fondamentaux pour la physique du boson de Higgs, et vous verrez qu’il s’agit d’exemples importants. dont nous ferions bien de nous souvenir. La nature n’a fait aucune promesse que comprendre les origines du Higgs aurait dû être facile, ni dans le futur, mais l’histoire enseigne que ceux qui explorent sans relâche et sans peur sont souvent récompensés par le plus grand prix de tous : la vérité.

Où tout cela ira-t-il dans les années à venir ? Serons-nous assez tenaces pour construire l’accélérateur, les détecteurs et le village qu’il faudra pour mesurer l’auto-attraction du Higgs ou découvrir le flou du Higgs ? Certains théoriciens courageux ouvriront-ils la porte à la théorie fondamentale au-delà du SM ? Les futurs phénoménologues poseront-ils les premières pierres sur le chemin de sa découverte ?

Comme Dennis Gabor, l’inventeur de l’holographie, l’a dit : “L’avenir ne peut pas être prédit, mais les futurs peuvent être inventés”. Nous y travaillons.

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