Commence t'on à voir le bout de la queue du Higgs ?

La vie des expériences de physique de particules est rythmée par les conférences d'hiver et surtout d'été. Sortes de grand-messes rassemblant plusieurs centaines de physiciens dont beaucoup ont travaillé d'arrache-pied pour que les collaborations soient prêtes à présenter leurs derniers résultats.

Cette année la grande conférence d'été HEP 2011, organisée par la European Physics Society (EPS) a lieu à Grenoble. Les sessions de vendredi dernier étaient très attendues car les expériences installées sur le collisionneur LHC du CERN devaient présenter leurs premières analyses tentant de mettre en évidence l'existence ou non du boson de Higgs.

La recherche du Higgs s'apparente vraiment à l'exploration minutieuse de bottes de foin pour découvrir quelques aiguilles. La signature de la désintégration du Higgs est noyée dans un bruit de fond gigantesque provenant d'autres processus physiques. Il faut faire appel à des procédure statistiques très complexes de manière à pouvoir extraire le maximum d'informations de la masse d'interactions enregistrées par les détecteurs. Aussi sophistiquées soient les techniques mathématiques, l'interprétation des résultats obtenus reste soumise aux lois de la statistique et on ne pourra jamais parler qu'en terme de probabilités d'avoir observé ou non un phénomène.

La communauté scientifique admet que lorsqu'un signal est observé et que la probabilité pour qu'il s'agisse d'une fluctuation est de l'ordre de 1/000 on parle "d'evidence" au sens anglo-saxon du terme qui est beaucoup moins fort qu'en Français. Pour parler de découverte, il faut que la probabilité pour que le signal observé ne soit qu'une fluctuation statistique soit de l'ordre, ou plus petite que 1 pour 10 millions !

Pour se rendre compte de l'impact réel de ces valeurs, on peut s'imaginer face à la situation où l'on va prendre un risque vital. Personnellement, si j'ai le choix, avec une probabilité de 1 chance sur 1000 d'y laisser ma vie, je ne prends pas le risque. Par contre je peux admettre d'avoir une chance sur 10 millions d'y laisser ma peau !

Les expériences ATLAS et CMS ont toutes deux présenté leurs résultats sur la recherche du Higgs. Pour l'instant aucun signal n'est visible et plusieurs régions en masse sont d'ores et déjà exclues à 99% de niveau de confiance (c'est à dire qu'il reste quand même un petit % de possibilité qu'il soit quand même là). Par contre, les deux expériences observent un excès de collisions présentant des caractéristiques similaires à la production d'un boson de Higgs dans la région de masse comprise entre 130 et 150 GeV.

Pour illustrer la chose, voici une figure présentée vendredi par ATLAS :

Figure présentée par Kyle Cranmer (NYU) à la conférence HEP 2011
à Grenoble. Voir la présentation ici

L'excès observé correspond à la zone indiquée par la flèche, où la ligne noire passe au dessus de la zone jaune.

Pour l'instant, on ne peut donc rien conclure et il faudra attendre que les expériences aient accumulé suffisamment de collisions pour savoir si l'excès se renforce et passe le seuil fatidique permettant d'annoncer une découverte, ou bien si l'excès se dilue dans le bruit de fond.

L'anneau de la Lyre

Bien haut dans le ciel d'été, la minuscule constellation de la Lyre contient Véga, une étoile blanche, deux fois plus massive que le Soleil et qui forme avec Deneb du Cygne et Altaïr de l'Aigle, le triangle d'été. Non loin de là, se trouve l'un des très beaux objets du ciel profond : la nébuleuse annulaire de la Lyre, découverte en 1779 par l'astronome toulousain Antoine Darquier de Pellepoix et portant la référence M57 dans la catalogue de Charles Messier.

L'anneau de la Lyre est une une nébuleuse planétaire c'est à dire le résultat de l'effondrement d'une étoile relativement peu massive (jusqu'à environ 8 masses solaires) quand celle-ci a fini de brûler son hydrogène et son l'hélium. Lors de cet effondrement, les couches extérieures de l'étoile sont expulsées à très grande vitesse et émettent de la lumière sous l'effet de l'intense rayonnement ultraviolet provenant de ce qui reste de l'étoile. Cette dernière, devenue extrêmement chaude (50 000 à 100 000 Kelvin) et dense (son diamètre est de l'ordre de grandeur de celui de la Terre), continue de briller au centre de la nébuleuse.

Le qualificatif "planétaire" fait référence à l'aspect de ces nébuleuses qui se présentent sous la forme d'un petit disque lorsqu'on les observe avec un petit télescope.

L'image ci dessous est une superposition de 26 poses de 2 minutes chacune. Elle a été réalisée avec un télescope de grande focale (1900 mm) de façon à obtenir un grossissement suffisant pour observer le minuscule anneau avec suffisamment de détails. La présence de la pleine Lune n'est pas favorable pour la photographie du ciel profond et contribue à dégrader l'aspect du fond du ciel. Au centre de l'anneau, on distingue très bien la naine blanche.

La nébuleuse Trifide dans le Sagittaire

Durant les belles nuits d'été depuis un point d'observation à l'abri de la pollution lumineuse, on peut observer la voie lactée, magnifique bande nébuleuse qui s'étend de Cassiopée au nord jusqu'au Sagittaire à l'horizon sud en passant par le triangle d'été formé par les étoiles Deneb du Cygne, Véga de la Lyre et Altaïr de l'Aigle.

Le Sagittaire, grande constellation en forme de théière ou de bouilloire (!), indique la zone dans laquelle se trouve le centre de notre Galaxie. C'est donc une région active qui héberge bon nombre d'objets astronomiques intéressants sur le plan scientifique et très esthétiques à observer. Malheureusement, depuis nos latitudes, cette région du ciel n'est visible qu'en été et se trouve très bas sur l'horizon, souvent noyé dans le halo lumineux engendré par l'éclairage aberrant de nos villes.

Pour observer le Sagittaire dans de bonne condition, il faut donc aller dans des endroits protégés et si possible en altitude pour limiter les effets de la turbulence de l'atmosphère.

La nébuleuse Trifide, catalogué en vingtième position dans le catalogue de Charles Messier (M20), est l'un des très beaux objets du Sagittaire.  Il s'agit d'un nuage de gaz qui rayonne sous l'effet de la lumière intense des étoiles environnantes et qui est obscurci en certains endroits par des zones de poussières.

Hier soir, j'ai photographié M20 avec une caméra CCD montée sur une petite lunette de 66 mm d'ouverture pour 400 mm de focale. La caméra était équipée d'un filtre spécial - dit Halpha- afin de faire ressortir les zones de la nébuleuses qui correspondent à une certaine excitation de l'hydrogène qui le fait réémettre dans le rouge. L'hydrogène étant de très loin, l'élément le plus abondant dans l'Univers, de très nombreuses nébuleuses émettent cette radiation bien particulière.

L'image ci-dessous est le résultat de l'accumulation de 30 poses de 4 minutes, soit un total de 2h de pose. La taille de cet objet dans le ciel est équivalente à celle de la pleine Lune, il est malheureusement bien trop peu lumineux pour être observé à l'oeil nu.

Une supernova dans les Chiens de Chasse

Dans la nuit du 31 mai, je suppose que bon nombre de télescopes et lunettes astronomiques d'amateurs étaient pointées vers l'un des plus beaux objets du ciel profond, à savoir la galaxie des Chiens de Chasse, alias le tourbillon, alias M51. Combien d'astronomes amateurs ont noté qu'il y avait une étoile en trop ? Sans doute très peu... La réponse est : au moins quatre, car c'est le nombre de co-découvreurs de la supernova 2011dh, quatre co-découvreurs amateurs, plus rapides que tous les systèmes professionnels de surveillance automatique du ciel.

La supernova a été confirmée peu de temps après par les observatoires professionnels qui ont pu réaliser des spectres de l'étoiles. Ceux-ci ont révélé la présence d'hydrogène, caractéristique d'une supernova de type II et une dominance de l'hélium sur l'hydrogène signature d'un type IIb. L'étoile qui a explosé était donc relativement massive (plus de 8 masses solaires) et l'explosion a coïncidé avec l'effondrement gravitationnel du coeur de fer formé par la fusion thermonucléaire des éléments plus légers. C'est au cours de l'explosion de ce genre d'étoiles que des éléments lourds sont synthétisés puis expulsés dans l'espace.

Personnellement j'avais fait une image de la galaxie M51 au mois de mars 2011:

J'ai eu l'occasion d'en refaire une samedi dernier :

Arrivez vous à pointer la supernova ? Pas évident n'est-ce pas ? L'animation ci-dessous, qui alterne l'affichage des deux images alignées l'une par rapport à l'autre, permet de bien voir cette étoile qui s'allume à 31 millions d'années-lumière de la Terre.

T2K

J'ai déjà parlé des neutrinos il y a quelques temps (voir ici et là). Les neutrinos sont donc des particules élémentaires dotées d'une très faible masse et dépourvues de charge électriques. Ils interagissent si peu avec la matière qu'ils peuvent traverser la Terre de part en part sans en être perturbés. Dans le modèle standard de la physique des particules, les neutrinos existent sous trois formes différentes appelées saveurs, chacune associée à une particule chargée - les électrons, les muons et les taus - l'ensemble formant la famille des leptons. Les neutrinos peuvent donc être du genre électronique, muonique ou tauique. Un neutrino électronique interagissant avec la matière par l'intermédiaire du processus physique appelé courant chargé va produire un électron, un neutrino muonique produira un muon et un neutrino tauique … un tau !

En 1998, les résultats de l'expérience super-Kamiokande ont confirmé la possibilité pour les neutrinos de changer de saveur au cours de leur trajet. Ce phénomène étrange, possible uniquement dans le cadre de la mécanique quantique est nommé : oscillation. Dans le but de simplifier et moyennant quelques accrocs à la rigueur scientifique, on peut dire que la probabilité d'oscillation d'une saveur de neutrino vers une autre dépend du rapport L/E, c'est-à-dire de la distance de vol du neutrino divisée par son énergie, de la différence de masse au carré des neutrinos mis en jeu et d'angles caractéristiques du mélange entre les différents neutrinos.

Jusqu'à récemment le phénomène d'oscillation n'avait été mis en évidence qu'en constatant la disparation de neutrinos d'une saveur donnée et d'énergie connue, après une certaine distance de vol. Au printemps 2010, l'expérience OPERA  a observé l'apparition probable d'un unique neutrino de type tau dans un faisceau de neutrinos de type muon produit au CERN à 730 km du détecteur et traversant la croute terrestre pour resurgir dans le laboratoire souterrain du Gran Sasso en Italie.

Il ya quelques jours, l'expérience T2K (raccourci pour Tokai to Kamiokande) a annoncé l'observation de 6 neutrinos électroniques dans un faisceau de neutrinos muoniques ayant parcouru 295 km entre l'accélérateur situé à Tokaï et le détecteur géant : super-Kamiokande. Les modélisations prédisent la détection de 1.5 neutrinos électroniques en l'absence d'oscillation ; la détection de 6 neutrinos est donc une indication forte pour l'existence d'une oscillation de la saveur muonique vers la saveur électronique, mais la signification statistique du résultat n'est pas encore suffisante pour annoncer une observation sans ambiguïté du phénomène.

Les physicien sont donc tenus en haleine en attendant un résultat portant sur une plus grande statistique, malheureusement l'accélérateur du complexe J-PARC à Tokaï qui produit le faisceau de neutrinos muoniques a subit des dommages lors du tremblement de terre de mars 2011 et ne pourra pas être remis en service avant la fin de l'année.

Avec OPERA et surtout T2K, la physique des neutrinos passe un cap important. L'enjeu est de taille, puisque dans ce mécanisme de mélange entre neutrinos, se cache peut-être l'explication de l'origine de l'asymétrie entre la matière et l'antimatière dans l'Univers, mais il faudra encore beaucoup de temps, d'énergie et d'astuce pour arriver à démêler l'écheveau complet de la physique des neutrinos.

Matière noire - Deuxième

Dans un article récent, je décrivais comment certaines expériences terrées au fond de cavernes souterraines traquent d'hypothétiques particules de matière noire. Ainsi les détecteurs EDELWEISS (Laboratoire Souterrain de Modane en France) et CDMS (Soudan Underground Laboratory aux USA) tentent de mesurer simultanément  les signaux d'ionisation et de chaleur résultant du "choc" élastique de particules de matière noire nommés WIMPS (pour Weakly Interacting Massive Particles) sur des noyaux de germanium. Jusqu'à présent ces techniques de détection n'ont pas permis de mettre en évidence un signal concluant.

Très récemment la collaboration XENON100 (Laboratoire Souterrain du Gran Sasso en Italie) a annoncé ses tout premiers résultats après 100 jours de fonctionnement du détecteur ; résultats négatifs également - aucun signal de matière noire ! XENON100 est une petite merveille d'ingéniosité scientifique qui utilise une centaine de kilogramme de xénon liquide à la fois comme cible pour les WIMPS et comme milieu détecteur. Le xénon présente la particularité d'émettre une lumière de scintillation lorsqu'il est traversé par des particules chargées et de se prêter à la mise en œuvre d'une méthode de mesure de l'ionisation extrêmement précise appelée Projection Temporelle ; celle-ci permet de reconstruire en trois dimensions les traces des électrons d'ionisation. La combinaison de ces techniques - ionisation et scintillation - permet de réduire le bruit de fond de manière drastique et d'obtenir l'identification d'un éventuel signal de manière très propre. XENON100 est le premier élément d'un ensemble plus complexe qui permettra à terme d'atteindre une tonne de milieu détecteur. Avec cette masse et si le bruit de fond est bien maitrisé, cette expérience pourrait bien donner un résultat décisif dans les prochaines années, soit en détectant quelques WIMPS, soit en ne détectant rien du tout, ce qui mettrait à mal les théories sur la matière noire.

Parmi toutes les expériences consacrées à la recherche des WIMPS, l'une d'entre elle obtient un très beau résultat qui à toutes les caractéristiques d'un signal de matière noire. Il s'agit de l'expérience DAMA (DArk MAtter). L'approche est un peu différente de ce qui a été présenté précédemment, DAMA utilise 250 kg de cristaux d'iodure de sodium (NaI) ultra purs. L'iodure de sodium a la propriété d'émettre de la lumière par un mécanisme de scintillation lorsqu'il est traversé par des particules chargées (comme le xénon liquide dans XENON100), la quantité de lumière émise étant proportionnelle à l'énergie déposée dans les cristaux. 

Les autres expériences se basent au moins sur deux signaux complémentaires et indépendants afin de réduire le bruit de fond. DAMA ne disposant que de la mesure de la lumière de scintillation il faut donc trouver une autre façon de caractériser la matière noire. 

Source :
http://www.hep.shef.ac.uk/research/dm/intro.php

L'astuce consiste à utiliser le fait que le système solaire tourne dans la galaxie et passe donc au travers du halo de matière noire qui est supposé baigner la galaxie. Comme illustré par la figure ci-contre, la Terre tournant, elle-même autour du Soleil  va donc sentir un "vent relatif" de matière noire dont la vitesse va dépendre de la période de l'année. En hiver la Terre se déplace en sens inverse du mouvement du Soleil dans la galaxie, alors qu'à la fin du printemps sa vitesse s'ajoute à celle du Soleil. Si la matière noire existe, on s'attend donc à ce que les WIMPS frappent les détecteurs avec une vitesse plus importante juste avant l'été que durant hiver, le signal d'ionisation détecté devrait donc être modulé suivant la période de l'année avec un maximum de signal autour du 2 juin. DAMA a pu accumuler des données sur 13 cycles solaires et, comme illustré par le graphique ci-dessous, voit clairement une modulation du signal parfaitement compatible avec ce qu'on attendrait pour de la matière noire avec notamment un maximum le 2 juin.

Source : http://arxiv.org/abs/1002.1028

Seul "petit" problème ; le signal de WIMPS vu par DAMA est incompatible avec les résultats des autres expériences ! Après avoir écarté toutes les possibilités de biais expérimentaux, la communauté scientifique est maintenant convaincu que DAMA voit bien quelque chose de réel, mais on ne sait toujours pas quoi.

Le résultat présenté par CoGeNT à l'APS

Lors du congrès d'avril de l'American Physics Society, l'expérience américaine CoGeNT qui utilise des détecteurs au germanium, a montré ce qui ressemble fortement à une modulation du signal compatible avec l'observation de DAMA. Le signal n'est pas encore statistiquement significatif, mais ces premières indications relancent la discussion dans le milieu de la physique de la matière noire.

Voici en tout cas l'exemple typique d'un problème scientifique ardu avec des résultats expérimentaux très surprenants  et qui démontre, s'il en était besoin, que lorsqu'on travaille aux frontières de la connaissance il faut être prêt à faire face à quelques surprises et à remettre en cause ce que l'on pense bien établi.

Aneyoshi

Les Tsunamis au Japon ne datent pas d'hier. Plusieurs médias (par exemple ici ) ont parlé récemment des stèles érigés par les anciens à la suite de tsunamis meurtriers. Je n'ai pas pu trouver la traduction complète,  mais celle d'Aneyoshi  située dans la zone ou le ras de marée de mars dernier  a frappé les côtes du Japon, met très clairement en garde les générations futures contre les dangers des tsunamis et les invitent à ne pas construire leurs habitations en deçà de la stèle. Elle indiquerait par ailleurs que "les constructions situées en hauteurs assurerons la paix et le bonheur de nos descendants ". La vague de mars 2011 a bien frappé Aneyoshi, mais les habitants s'étant toujours conformé aux recommandations de la pierre, aucune victime ne fut à déplorer. Bien d'autres pierres à tsunami existent au Japon, mais bien sûr la plupart sont tombées dans l'oubli ou leur message a été ignoré depuis fort longtemps. J'imagine bien quelques vieux sages japonais se rappelant du tsunami de 1933 et criant au fou de vouloir braver la nature et de construire une centrale nucléaire si proche de la grève.

La stèle d'Aneyoshi - Photographie: Ko Sasaki for the New York Times

On peut rapprocher cela des nombreuses histoires d'anciens mettant en garde contre des constructions trop proche de telle ou telle rivière ou de tel ou tel couloir d'avalanche. Je me souviens de ma mère nous racontant l'avalanche qui avait balayé des maisons nouvellement implantées à flanc de montagne lors de la construction du barrage de Tignes en Savoie. Les anciens de la vallée savaient parait-il fort bien que l'avalanche était déjà passé par là et qu'elle y reviendrait un jour.

Et nous, quelles stèles allons nous laisser aux générations futures ? Des sites d'enfouissement de déchets nucléaires à vie longue vont bientôt voir le jour ; seule façon connue actuellement de mettre hors d'atteinte nos déchets les plus radioactifs. Les constructeurs de ces sites se posent  à juste titre la question de savoir comment prévenir nos descendants dans 50 000 ou 100 000 ans que ces endroits sont hautement dangereux et qu'ils ne doivent sous aucun prétexte y pénétrer à moins de disposer de la technologie suffisante pour traiter les déchets. Imaginons par exemple que notre belle civilisation s'écroule et que dans quelques dizaines de milliers d'années des Hommes n'imaginant même plus ce qu'est un atome, tombe par hasard sur ces galeries souterraines. Comment leur faire comprendre de rebrousser chemin ? Le célèbre tableau "Le Cri" d'Edvard Munch sert parait-il de base de réflexion pour imaginer un graphisme qui inspire la terreur et indique que le lieu est malsain.

J'imagine que le même type de stèle devra être installé autour des sarcophages de Tchernobyl, de Fukushima et de tous les autres qui ne manqueront probablement pas de surgir aux quatre coins du monde dans les prochaines décennies. Les pictogrammes utilisés voudront probablement dire quelque chose du genre : "Peuple de la Terre n'approchez pas de ces lieux maudits avant 100 000 ans et rappelez vous de rester humble fasse à  la nature".


Si quelqu'un possède la traduction complète de l'inscription sur la pierre, je suis preneur.