Dernière nuit

Après onze années d'existence, l'un des plus grands accélérateurs de particules au monde, va fermer. Connu sous le nom de LEP et situé au CERN, à Genève, il aura fait faire un bond considérable à la physique des particules. Le LEP est un immense anneau, dans lequel des électrons et des anti-électrons tournent en sens inverse à une vitesse proche de la lumière. Ils s'entre-choquent en des collisions très violentes où ils s'annihilent, produisant alors de l'énergie. Celle-ci se matérialise en une multitude d'autres particules, témoignages de la structure intime de la matière.

Le remplaçant du LEP, le LHC, est déjà en construction et entrera en service dans cinq ans. Deux fois plus puissant que son prédécesseur, il étudiera des particules crées à partir d'énergie beaucoup plus élevée.

Jusqu'à la veille de sa fermeture, se déroule au LEP une expérience extrêmement importante. Il s'agit de découvrir le mythique boson de Higgs, une particule rendant compte des mécanismes qui donnent une masse à la matière. Elle est l'un des derniers éléments manquant d'une théorie dont le but est de décrire la formation de la matière, lors des premiers instants qui ont suivi le Big Bang.

Depuis le mois de juin 2000, des évènements attestant l'existence possible du boson de Higgs ont été détectés au LEP. Ce qui lui a déjà fait gagner deux mois d'existence supplémentaires. Mais au soir du 1er novembre 2000, l'expérience n'est pas encore terminée. Il faut davantage de résultats pour s'assurer de la découverte du Higgs. C'est pourquoi les chercheurs demandent un sursis d'un an. Ce qui n'est pas prévu. Car à l'issue de cette nuit qui tombe sur Genève, le LEP devra officiellement fermer ses portes. D'où une sombre polémique scientifique, qui pourrait ternir la glorieuse histoire du LEP. Nous avons été les témoins de ce qui sera peut-être sa dernière nuit.

Cette dernière nuit débute concrètement à 22h30, lors du passage de relais entre les équipes de jour, qui travaillent dans les salles des détecteurs, et celles de nuit. Pour l'occasion, le physicien Marumi Kado, très impliqué dans la quête du boson de Higgs, s'est joint à l'équipe qui va passer la nuit dans la salle du détecteur baptisé Aleph.

Il y a quelques minutes à peine, un événement important s'est peut-être produit. Le détecteur Aleph a enregistré une collision qui pourrait avoir donné lieu à la production d'un Higgs. Ce qui n'arrive que quelques fois par mois.

Marumi Kado : A l'heure actuelle, avec l'information qu'on a, on ne peut pas vraiment dire si c'est un candidat...

André Tilquin : C'est probablement un événement w-w, et ceux-là on les connaît bien. On va les analyser. Avant de savoir si c'est un w ou un Higgs il faut cependant toute une chaîne de programmes d'analyses. Mais c'est un beau candidat.

Au même moment, dans la salle de contrôle où l'on commande le fonctionnement de l'accélérateur proprement dit, il a été décidé de célébrer cette dernière nuit par une petite fête. Parmi les assistants, se trouve Patrick Janot, coordinateur scientifique du Lep et l'un des plus grands spécialistes mondiaux du boson de Higgs.

L'ambiance est décontractée. Mais en permanence, un homme veille à ce que les paquets d'électrons et d'anti-électrons lancés à la vitesse de la lumière dans les 27 km de l'anneau se croisent bien au niveau des quatre détecteurs plus de 10 000 fois par seconde. Dans la salle du détecteur Aleph, aux alentours de minuit, l'atmosphère est beaucoup plus studieuse. L'équipe de nuit surveille tous les paramètres du détecteur afin que les collisions les plus intéressantes, parmi les cinq qui ont lieu par seconde, soient enregistrées pour être analysées ultérieurement.

Thijs Wijnands : Ce qu'on voit sur cet écran sera peut-être interprété parfois comme un Higgs. Mais il y a beaucoup de propriétés d'un Higgs que l'on ne peut pas voir avec nos yeux. Il faut un programme informatique pour les voir. Une fois les données enregistrées, il est préférable de faire ces analyses. Il est possible que nous ayons vu un Higgs, mais on ne s'en est pas encore aperçus.

Qui donc est précisément ce boson de Higgs qui excite tant les physiciens ? Nous sommes retournés dans la salle de contrôle, qui vers 1 heure du matin a retrouvé un calme relatif, pour le demander à Patrick Janot.

Patrick Janot : La théorie de la physique des particules est basée sur un grand nombre de principes de symétrie. En fait toute la théorie en physique des particules est basée sur des symétries. Et le résultat cette théorie, c'est qu'à-priori l'univers dans lequel on doit vivre doit être complètement symétrique dans toutes les directions, par translation dans l'espace ou dans le temps. Une des conséquences de cela, c'est qu' il doit y avoir aucune asymétrie entre les particules et que toutes les particules doivent avoir une masse nulle à cause de ces symétries, de ces principes de symétrie. Alors on sait dans la vraie vie que les particules ne sont pas de masse nulle. Il a donc fallu inventer comme une addition à ces théories... quelque chose qui cacherait la symétrie, qui briserait la symétrie de l'univers. C'est ce qu'on appelle le mécanisme de Higgs. Ce mécanisme donne une espèce de structure au vide qui nous entoure. Ce n'est pas exactement une structure telle qu'on l'imagine, dans un cristal, mais ça y ressemble un peu. On appelle cela une structure quantique. Les particules se mettent à interagir avec la structure du vide, avec la structure quantique du vide créée grâce à ce mécanisme. Et quand les particules se mettent à interagir avec cette structure quantique, elles se déplacent alors un peu moins rapidement dans le vide. Certaines particules n'interagissent alors pas avec le vide : le photon, par exemple, a tendance à ne pas interagir du tout avec le vide. Il se déplace à la vitesse de la lumière. On dit que c'est une particule de masse nulle par définition. D'autres particules en revanche interagissent plus avec cette structure qui vient du mécanisme de Higgs. Elles acquérient une masse grâce à cette interaction. Bon, maintenant, ce mécanisme de Higgs, il n'est pas gratuit. Le fait qu'on introduise une structure fait qu'il en résulte une particule supplémentaire. Donc théoriquement on prédit qu'il va exister une particule supplémentaire, paticule que l'on a appelé le boson de Higgs, issu donc du mécanisme de Higgs... Et c'est donc ce boson de HIggs qu'on essaie de produire maintenant.

Marumi Kado : C'est donc vraiment une particule à part parce que tout ce que l'on a observé jusqu'à maintenant, toute la matière, tout ce qui constitue le modèle standard c'est les particules de matière et les particules d'interaction. Les interactions c'est par exemple : "Pourquoi est-ce que deux corps massifs interagissent par la gravité? Pourquoi est-ce que deux particules chargées interagissent par la force électromagnétique?". Bref, les interactions expliquent les forces dans la nature. Le boson de Higgs est une particule qui n'appartient à aucune de ces dénominations, c'est une particule qui ne véhicule pas d'interaction et qui n'est pas non plus un constituant de matière. C'est vraiment une particule à part.

Patrick Janot : Là, Le modèle standard de la physique des particules prédit l'existence d'un boson de Higgs . Il faut donc tester expérimentalement cette existence. Mais le problème de cette théorie c'est que si elle prédit son existence elle ne prédit pas, en revanche, la masse de la particule. Il a donc fallu chercher cette particule à une masse inconnue. Entre zéro et on ne sait pas quoi encore.

Et c'est ce qui a été fait depuis cinq ans avec LEP. En augmentant progressivement l'accélération des électrons et des positrons, et donc en produisant des collisions de plus en plus violentes qui dégageaient une énergie de plus en plus grande, on donnait naissance à des particules de plus en plus massives. En cela, on respectait la célèbre formule de l'équivalence entre énergie et masse : E= MC2. Tant qu'aucun événement atypique n'était détecté, les chercheurs pouvaient être sûrs que le boson de Higgs, s'il existait, avait une masse supérieure à ce qu'il était possible de créer jusque-là. Et c'est en Juin 2000, poussant le LEP à l'extrême limite de sa puissance, que les physiciens ont vu leurs espoirs se confirmer. Il leur a été possible de produire des particules de 115 milliards d'électrons volt, 115 GeV.

Patrick Janot : Et le jour où on a atteint cette énergie-là, on a commencé à produire des événements intéressants qui , justement, ressemblent à la production d'un boson de Higgs d'une masse voisine de 115 GeV. Ce qui veut pas dire que c'est un boson de Higgs de 115 GeV parce qu'il y a des processus de bruit de fond qui peuvent produire les mêmes événements ou des événements qui y ressemblent. En tout cas, on a un certain nombre d'événements, plus grand que ce qu'on attendrait s'il n'y avait pas de boson de Higgs et qui y ressemblent beaucoup.

Marumi Kado : Des événements qui pourraient être attribués à un boson de Higgs -donc de la production d'un boson de Higgs dans Aleph - on en a que trois sur ... des millions de collision . Mais il faut bien se rendre compte que le nombre d'événements attendus par des processus que l'on connaît et qui pourraient donner lieu à des événements de type événements de production du boson de Higgs, on n'en attend qu'une fraction. Même pas un événement entier : on en attend 0,3 événement.

Patrick Janot : Avec cette poignée d'événements, on peut dire maintenant que la probabilité que ces événements aient été produits par les bruits de fond du modèle standard est de l'ordre de quelques pour mille. Environ 2-3 pour mille. On a donc l'intuition qu'il y a quelque chose. Ce n'est pas tout à fait assez pour dire qu'il y a quelque chose. Je vais prendre une image pour vous expliquer : Tirez à pile ou face 100 fois et essayez de démontrer que la pièce est truquée, qu'elle n'est pas complètement symétrique. C'est un peu ce qu'on cherche à faire avec l'univers : on cherche à démontrer qu'il n'est pas complètement symétrique. Vous jetez votre pièce de monnaie 100 fois, si vous obtenez 50 fois pile 50 fois face, vous n'avez pas l'impression que la pièce est truquée. Si vous obtenez maintenant 65 fois pile et 35 fois face, vous avez l'intuition que la pièce est truquée parce que ça a une probabilité d'un pour mille d'arriver. C'est pas très difficile avec une pièce de monnaie : il suffit d'avoir la pièce de monnaie, ça coûte un franc, et... qu'est-ce que vous faites ? Eh bien, vous recommencez l'expérience et si vous avez encore 65 fois pile et 35 fois face, ça fait une autre probabilité de un pour mille qui va se combiner avec la précédente, et on passe alors à une probabilité de l'ordre de un pour un million. Vous pourrez alors dire avec certitude : "J'ai découvert que la pièce était truquée". C'est exactement ce que ce que l'on veut essayer de faire avec LEP, là on a une probabilité de quelques pour mille que ces événements viennent du bruit de fond. On voudrait être sûr avec une probabilité de l'ordre de un pour un million qu'ils n'en proviennent pas. On voudrait donc recommencer grosso-modo la même expérience en essayant d'augmenter un tout petit peu l'énergie pour avoir un tout petit peu plus d'événements pendant un petit peu plus longtemps.

Retour au détecteur Aleph, vers 4 heures du matin.

Thijs Wijnands : Cette nuit nous pensons que c'est la dernière nuit où nous enregistrerons des évènements. Pour célébrer cette occasion spéciale, nous avons ici une grosse citrouille avec le symbole d'Aleph et une flamme éternelle à l'intérieur. Nous ferons brûler cette flamme jusqu'à la fin des prises de données, c'est-à-dire vers 8h du matinÉ et c'est une triste occasion. Beaucoup de scientifiques ont consacré ici leur vie et leur carrière. Ce sera un moment triste mais un grand moment.

Nous accompagnons Marumi Kado à 150 mètres sous terre, pour ce qui sera probablement sa dernière visite du détecteur en fonctionnement.

Marumi Kado : Donc, là, ce que vous avez - on est dans la caverne - juste derrière ces baraques, c'est le détecteur Aleph. Je vais vous montrer un peu comment ça marche, sur un schéma. Donc ici, schématiquement, est représenté le détecteur Aleph. Pour illustrer la dimension de ce détecteur, vous pouvez voir ici la dimension d'êtres humains. Donc, comment marche tout ça ? Et bien ici, au centre, vous pouvez voir la ligne du tube à vide dans lequel circulent les électrons et les positrons. Leur collision a lieu ici, au centre du détecteur. Ce détecteur est constitué de deux éléments types qui sont formés d'éléments dont le but est de reconstruire, de retracer le chemin que les particules chargées ont effectué et, d'un second type d'éléments qui sert à mesurer l'énergie de ces particules en les absorbant. Alors à cet endroit-là, ici, on est juste en dessous du tunnel du LEP. Donc, ici juste au dessus de nos têtes circulent des électrons et des anti-électrons quasiment à la vitesse de la lumière.
Là, vous pouvez avoir une idée du champ magnétique qui règne à l'extérieur de l'expérience, parce que là on est environ à 4 ou 5 mètres de l'expérience elle-même. On peut voir sur cet écran comment le champ magnétique tord l'image. Là on est en train de travailler sur sur ces résultats, sur la recherche du boson de Higgs donc on a un peu la tête dans le guidon, on se rend pas compte de ce qui se passe, mais effectivement je pense qu'on aura un peu la gueule de bois quand effectivement les faisceaux seront éteints parce qu'en ce moment, ça circule, et on ne se rend pas bien compte que, dans quelques heures peut-être, ce sera complètement éteint, définitivement. Mais, évidemment, j'espère que non, j'espère que l'année prochaine on pourra être là...

A six heure du matin, dans la salle de contrôle, les deniers instants approchent. On se prépare à lancer dans l'anneau l'ultime faisceau d'électrons et d'anti-électrons.

Ghislain Roy : On est en train de remplir la machine, remplir le LEP. Les électrons, les positrons arrivent des injecteurs, du ps puis du sps, et sont injectés dans le LEP. Après ça, il y aura la rampe en énergie, et après on mettra les faisceaux en collision. Ce sera vraisemblablement le dernier. A moins qu'on le perde très tôt, auquel cas on aura peut-être le temps d'en faire encore un autre, mais a-priori ce sera le dernier.

Patrick Janot : Ce serait dommage de fermer LEP au moment où on est peut-être sur le point de découvrir quelque chose, d'écrire une ligne dans l'Histoire de l'humanité. On ne peut pas se permettre de de ne pas le faire. Le but de la recherche fondamentale c'est comme même ça, de comprendre notre origine, de comprendre les fondements de l'univers. On a la possibilité d'avancer un petit peu, de faire un pas .. un pas de géant dans la compréhension. Oui, vraiment, ce serait dommage.

H moins 8 minutes. Les techniciens ont installé un cordon relié au bouton d'interruption du faisceau, sur lequel ils vont symboliquement tirer pour marquer la fin du LEP.

C'est la fin. Le LEP est arrêté. La polémique scientifique, elle, bat son plein car personne ne sait si cet arrêt est définitif. La décision appartient maintenant à Luciano Maiani, le directeur général du CERN.

Luciano Maiani : Il y a un programme, il y a des gens qui sont entraînés dans un programme, il y a tout un "valutation" global de ce qu'est la possibilité, de ce qu'est la convénience scientifique de continuer ou de passer à la machine suivante. Et ça, comme je dis, c'est une décision à laquelle il faut arriver en ayant mis toutes les données sur la table. Et à présent, les données ne sont pas encore sur la table.

Dans les jours à venir, les résultats scientifiques vont être présentés dans plusieurs comités, chargés de conseiller le directeur général dans sa décision finale. C'est une attente pénible pour les scientifiques impliqués, qui sont néanmoins optimistes au vu de leurs résultats. Une semaine plus tard, la nouvelle tombe : le directeur général a confirmé la fermeture du LEP mais pas la date de son démantèlement. Une subtilité de langage qui lui laisse encore un mois de réflexion avant la validation de cette décision par le Conseil, la plus haute instance du CERN. Dans l'après-midi qui suit l'annonce de ce communiqué, Luciano Maiani et deux de ses directeurs scientifiques organisent une conférence de presse pour expliquer leur position.

Alfred Cashmors : Concernant ces résultats, beaucoup d'expériences réalisées dans le passé ici ou ailleurs ont enregistré, à leur début, un effet qui avait une chance sur 1000 d'être dû au bruit de fond. Et ensuite en continuant, on s'apercevait que c'était bien du bruit de fond. Dans cette optique, beaucoup d'expériences ont été effectuées, beaucoup d'analyses ont été faites, beaucoup de données ont été étudiées et la probabilité d'une chance sur 1000 que ce soit du bruit de fond est peut-être réalisée, puisque sur des milliers d'évènements, on n'en a eu que quelques-uns d'intéressants. C'est pour cela que d'avoir un effet qui peut être du bruit de fond avec 1 chance sur 1000 ne nous paraît pas suffisant pour prouver que le Higgs existe. C'est pourquoi nous disons qu'il faudrait beaucoup plus d'évènements significatifs pour avoir une découverte.

Luciano Maiani : Planifier une recherche n'est pas planifier son succès, parce que sinon on va au casino de Divone, on joue 100 millions sur le noir et on se dit tant mieux si on gagne. Mais la politique scientifique, ce n'est pas ça, c'est d'établir une stratégie. Et l'optimisation de cet objectif scientifique réclame de fermer le LEP et de mettre le paquet sur le LHC. On a peut-être tort mais c'est notre décision.

Le lendemain, nous retrouvons, au côté du détecteur Aleph, Patrick Janot et Marumi Kado, assez choqués par l'annonce du directeur du CERN. Pour eux, une telle position va à l'encontre de toute logique scientifique.

Patrick Janot : Le directeur général et ses directeurs de la recherche affirment pour justifier leur pseudo décision qu'une probabilité de un pour mille n'est pas suffisante pour justifier une prolongation de LEP. C'est un peu effarant de voir la contradiction qu'il y a dans cette affirmation. Si on avait quelque chose qui était suffisant pour justifier une découverte, on ne demanderait pas une prolongation de LEP. Le fait d'avoir une probabilité de un pour mille d'être compatible avec du bruit de fond, donc autre chose que du signal, c'est au contraire une motivation extraordinaire pour continuer, étant donnée l'image complètement cohérente de de l'aspect scientifique de l'observation.

Marumi Kado : Ce qu'on observe c'est exactement ce qu'on attendrait dans le cas où il y aurait un boson de Higgs à 115 GeV donc...

Patrick Janot : Vaut mieux pas en avoir trop parce que là on aurait pu être accusés de tricherie. On n'est pas des tricheurs, on est des scientifiques. C'est la passion qui nous pousse à faire ce métier, on est passionné pour faire de la recherche fondamentale. Encore une fois, la recherche fondamentale ça ne permet pas de gagner d'argent, ça permet juste de comprendre l'origine de l'univers, d'augmenter la connaissance de la race humaine. La recherche fondamentale c'est ce qui fait que la race humaine est une race supérieure. Alors oui, là, on est passionné pour ça. Mais la passion ne nous aveugle pas au point de nous faire croire qu'un résultat n'est pas ce qu'il est. La décision qui consiste à dire : "De toute façon on pourra le trouver au LHC" montre bien que la décision n'est pas scientifique mais que c'est une décision politique. On peut le faire au LEP, pour une quantité d'argent modéré, à peu près 2 % du budget total de LEP depuis sa création. Le fait de vouloir repousser ça au LHC, est une décision politique, pas scientifique.

Alors, quelles sont les raisons qui justifient cette fermeture tant contestée? Nous avons été le demander au président du comité scientifique du LEP, un physicien extérieur au CERN, chargé de juger les travaux sur le boson de Higgs.

Michel SPIRO : Ce signal n'est pas très fort, il repose sur un bruit de fond , sur d'autres canaux euh qui n'ont rien à voir avec la production du Higgs et tout repose sur la question de savoir dans quelle mesure ces bruits de fond y contribuent. En tournant l'année prochaine, on peut faire un petit peu mieux, on peut monter encore, gagner encore un petit peu en énergie au LEP. Mais on sera toujours comme même à la limite cinématique de la machine. Ce qui aurait été bien, évidemment, ça aurait été d'augmenter considérablement l'énergie du LEP. Disons 5 ou 6 fois plus que ce qu'on envisage actuellement. A ce moment là, on aurait pu montrer vraiment que le boson de Higgs était là sans aucun doute. Le comité, pour certains de ses membres, craint que l'amélioration à la fois en temps de prise de données et en énergie ne soit pas suffisante pour transformer vraiment ça en découverte l'année prochaine. Alors je sais qu'ils sont un peu déçus, la communauté LEP est un peu déçue, mais ils n'ont pas été soutenus par le comité scientifique du LEP. Ce qu'on souhaite tous, c'est qu'ils publient un papier qui sera un papier historique sur l'indication qu'ils ont obtenue jusqu'à maintenant . Si le Higgs est là, à la masse qu'ils indiquent aujourd'hui, et bien ce sera eux qui l'auront découvert les premiers et ils en auront le crédit.

Dans cette polémique scientifique, tout revient en fait à savoir si le LEP est assez puissant pour fournir en un an suffisamment d'évènements intéressants, qui concluraient alors à la découverte du Higgs. Qui donc doit-on croire ? D'un côté les physiciens du LEP. Des chercheurs passionnés qui réclament un délais d'un an et dont le caractère exceptionnel des résultats fait consensus. De l'autre côté des scientifiques plus détachés. Des gestionnaires raisonnables qui veulent fermer le Lep, en s'appuyant sur une analyse du risque, aussi bien financier que scientifique. Analyse problématique d'ailleurs, tant l'expertise est délicate à mener. Ë cela s'ajoute le contexte politico-économique. La construction du LHC a mobilisé 10 milliards de francs, dont 20 % apportés par les Etats-Unis. Difficile pour eux d'envisager avec plaisir que le CERN retarde d'un an ce chantier. Surtout qu'ils ont toutes les chances d'effectuer cette découverte dans leur propre accélérateur de particules. L'épilogue de cette histoire est écrit le 17 novembre 2000. Ce jour-là, Luciano Maiani joue sur l'absence de consensus total, à l'intérieur du Conseil du CERN, pour entériner la fermeture du LEP. Les scientifiques passionnées ont perdu.