DOCUMENT + VIDEO    UNIVERSCIENCE     LIEN

Enquête Accelerateur de particules| Boson
 
Le boson de Higgs enfin démasqué
Le CERN vient de présenter les derniers résultats des expériences menées au sein du LHC. Comme les physiciens s’y attendaient, l’existence du fameux boson vient d’être confirmée et la masse de la particule déterminée. Et tout cela est parfaitement compatible avec le Modèle standard.

Par Yaroslav Pigenet, le 03/07/2012 (Mis à jour le 06/07/2012)

  Le LHC (Large Hadron Collider) « Nous avons observé un nouveau boson ! » C'est par cette litote que Joe Incadela, responsable de l’expérience CMS du LHC, a confirmé que la longue traque du boson de Brout-Englert-Higgs venait d’entrer dans une nouvelle phase. Désormais la fameuse particule n’est plus seulement une entité théorique, sa réalité physique a enfin été démontrée par l’expérience et sa masse estimée aux alentours de 125 GeV/c2. Même si la nouvelle était attendue, le petit monde de la physique est enthousiaste devant cette (nouvelle) confirmation expérimentale du Modèle standard. « Il s’agit d’un résultat très préliminaire, mais nous pensons qu’il est très significatif, très robuste », a notamment expliqué Joe Incandela au cours de la conférence organisée le 4 juillet au CERN pour présenter ces résultats.
Une particule clé
L’existence du boson de Higgs a été prédite dès 1964, non seulement par Peter Higgs, mais aussi, indépendamment, par les physiciens Gerald Guralnik, Carl Richard Hagen, Tom Kibble, Robert Brout et François Englert. Cette particule, jusqu’ici hypothétique, donnerait naissance au champ de Higgs, dans lequel « baignerait » l’Univers entier et qui conférerait aux autres particules leur masse spécifique.

 

À ce titre, le Higgs est à la fois la clé de voûte et l’ultime pièce manquante du Modèle standard de la physique des particules. En effet, bien que prédite par la théorie, cette particule élémentaire n’avait jusqu’ici jamais été observée expérimentalement, contrairement à toutes les autres particules postulées par ce même modèle.
Le Modèle standard, c'est quoi ?
  Les particules du Modèle standard La matière qui nous entoure est constituée de particules élémentaires décrites avec un haut degré de précision par une théorie appelée « Modèle standard ». Développé dans la deuxième moitié du XX ème siècle, ce dernier prévoit l'existence de douze particules ( et de leur douze antiparticules) qui composent la matière, les fermions, et treize autres particules, les bosons, qui assurent sa cohésion. Toutes les particules élémentaires prédites par le modèle ont fini par être observées. Toutes sauf une, qui résiste encore et toujours aux expérimentateurs : le boson de Higgs. Et c'est là que le bât blesse. Jusque là cantonnée au statut d'objet mathématique, cette particule est la clé de voûte du Modèle standard. Elle permet d'expliquer certaines incohérences mathématiques et mène à une théorie consistante et extrêmement précise sur le plan prédictif. Le défi du plus puissant accélérateur de particules au monde, le LHC, est justement de détecter la présence du Higgs et prouver ainsi sa réalité physique. Si Higgs existe, alors le Modèle standard sera validé, unifiant ainsi les trois forces fondamentales de l'infiniment petit : les interactions forte, faible et électromagnétique... mais toujours pas la gravitation, qui régit l'infiniment grand.

 

 

 

C’est le franchissement de ce seuil de significativité statistique qui vient juste d’être annoncé par les responsables des expériences ATLAS et CMS dont les résultats seront prochainement publiés. Mieux, les deux expériences, menées indépendamment, parviennent à une estimation similaire de la masse du boson de Higgs, ce qui renforce leur validité. A savoir, 125,3 GeV/c2 selon l’expérience CMS, et 126,5 GeV/c2 selon l’expérience ATLAS, soit 133 fois la masse du proton, en total accord avec les masses prévisibles par le Modèle standard.
Juste un boson ?
  Désintégration d'un candidat boson de Higgs La quantité totale de données collectées et analysées par ATLAS ayant doublé depuis décembre, il paraissait donc assez probable que ce seuil statistique fatidique serait enfin franchi et que le CERN pourrait annoncer LA détection du fameux boson. Et justifier ainsi les 8,9 milliards € qu’a coûté la construction du LHC.  Mais même si on comprend Peter Higgs, 83 ans, qui considère que cette confirmation expérimentale « est la chose la plus incroyable qui soit arrivée dans sa vie », on ne peut s’empêcher de noter que la « percée » annoncée pour cette conférence consiste plutôt à confirmer et affiner une découverte prévue depuis longtemps. Comme l’a reconnu Fabiola Gianotti, responsable d’Atlas, « ceci n’est qu’un début, nous aurons besoin de plus de données pour commencer à comprendre la nature de cette particule ». Des données qui  permettront peut-être de parachever, mais aussi de dépasser voire d’invalider un Modèle standard dont, à l’instar du mathématicien Alain Connes, « personne ne pense qu’il est le fin mot de l'histoire surtout à cause du très grand nombre de paramètres libres qu'il contient ».   
Yaroslav Pigenet, le 03/07/2012 | Mis à jour le 06/07/2012

 

La discrimination par la désintégration
Cela fait maintenant trois ans que les chercheurs traquent les traces de ce boson dans les débris laissés par les collisions entre protons accélérés par le LHC à des vitesses proches de celle de la lumière.

 

Le Higgs ayant une existence bien trop brève pour être détecté directement, seuls les produits de sa désintégration – d’autres particules élémentaires – peuvent attester de sa présence et dévoiler ses caractéristiques inconnues, notamment sa masse. La principale difficulté étant de distinguer, au milieu de la soupe de particules produite à chaque collision, celles qui proviennent effectivement de la désintégration du Higgs de celles qui découlent d’autres phénomènes parasites générés par la collision. Sachant, en outre, que le Higgs peut emprunter plusieurs trajectoires de désintégration, donnant chacune des produits différents, et que la probabilité de chacune de ces trajectoires dépend de la masse du boson… que l’on ne connaît pas a priori.
Une existence statistique
  Simulation d'une détection de boson de Higgs Ainsi un Higgs doté d’une masse de 100 GeV/c2 a une faible probabilité de se décomposer en deux bosons W, mais cette probabilité est beaucoup plus importante si le Higgs « pèse » 170 GeV/c2. Bref, la détection et la caractérisation du Higgs reposent sur un raisonnement statistique exploitant les données collectées pour des millions de collisions successives, et non sur une identification formelle à 100%. Cette méthode statistique a permis aux chercheurs de réduire peu à peu, expérience après expérience, l’éventail des masses possibles pour le Higgs.
Des GeV qui en font des tonnes
En physique des particules, l’électron-volt (eV) est une unité d’énergie beaucoup plus pratique à utiliser que le joule du système international (1eV= 1,60217653×10-19 J). De même, en raison de l’équivalence masse/énergie (E=mc2 donc m=E/c2) démontrée par la relativité restreinte d’Einstein, pour des raisons de commodité, on exprime la masse en électron-volt/c2 (eV/c2) plutôt qu’en kilogramme.    

 

 

Par exemple, l’ancêtre de LHC, le LEP, a permis d’exclure une masse du Higgs inférieure à 114,4 GeV/c2. Une estimation complétée par les derniers résultats fournis par l’accélérateur Tevatron, qui interdisent toute masse comprise entre 147 et 179 GeV/c2 et situent le Higgs dans l’intervalle 115-135 GeV/c2 avec un risque d’erreur de 3%. Enfin, en décembre 2011, les expériences ATLAS et CMS du LHC ont observé des signaux cohérents indiquant la présence d’un Higgs d’une masse de 124 à 126 GeV/c2. La probabilité d’erreur était cette fois ramenée à 0,2%. Le Graal était donc presque à portée, mais en physique des particules, pour affirmer une découverte, la probabilité d'erreur doit être inférieure à 0,00003%.

 

 

 Paris, 12 Juillet 2011

Il apprend en temps réel
Un robot humanoïde français obtient la 4ème place dans le défi « Open Challenge » de la compétition internationale "Robocup@home" à Istanbul.

Grâce aux performances de son robot humanoïde, Nao(1), une équipe française de chercheurs a obtenu la 4ème place sur 19 équipes internationales dans le défi « Open Challenge » de Robocup@home. Ce challenge est l'un des nombreux défis de la compétition internationale de robotique « Robocup » qui avait lieu du 5 au 11 juillet 2011 à Istanbul. Le secret de ce succès est le système cognitif du robot développé par l'équipe Inserm dirigée par Peter Ford Dominey, chercheur au CNRS dans l'Unité Inserm 846 « Institut Cellule souche et cerveau ».
L'objectif de la compétition de robotique « Robocup » est de créer une équipe de football robotisée capable de battre une équipe de football humaine d'ici 2050. En plus de la RoboCupSoccer, d'autres compétitions étaient organisées cette année à Istanbul : la RoboCupRescue, la RoboCupJunior et la RoboCup@Home(2). Cette dernière est consacrée aux robots domestiques capables d'effectuer des tâches ménagères. Une aubaine pour l'équipe de recherche de l'Inserm-CNRS qui a pu participer à la compétition et tester ses derniers développements dans le cerveau de leur robot humanoïde.

Nettoyer une chambre à coucher, faire la vaisselle, le ménage…Tout ceci sera peut-être bientôt à portée de main des robots ...Il suffira juste de leur apprendre. Le système cognitif développé par l'équipe Inserm de Peter Ford Dominey, chercheur au CNRS, permet ainsi à leur robot de comprendre un être humain par une simple discussion et d'apprendre de nouvelles tâches. Grâce à son échange avec l'homme, le robot apprend comment effectuer différentes actions utilisant la vision, la langue et la démonstration physique.

                                

 

 

 

 

 

 

 

 

Le RCL est financé par les projets d'Union européenne CHRIS, Organic et EFAA, et des projets ANR Amorces et Comprendre. Ces projets unissent des laboratoires de recherche de France, d'Italie, du Royaume-Uni, d'Allemagne, de Belgique, et d'Autriche.

 

 

au lieu d'employer des plans préétablis pré-instruits, le robot peut apprendre en temps réel par interaction directe avec un humain. Ce système cognitif est développé au laboratoire « Robot Cognition Laboratory », dirigé par Peter Ford Dominey, directeur de recherche au CNRS.

 

 

« Il suffit d'expliquer à voix haute la tâche à exécuter » déclare Peter Ford Dominey. Par exemple : je prends ce jouet, et tu ouvres la boite pour que je le range à l'intérieur. Le robot intègre alors la consigne, la répète et si cela est nécessaire demande à son interlocuteur de préciser (dans ce cas-là « Faut-il refermer la boite après avoir mis le jouet à l'intérieur ? »). Une fois cette première étape intégrée, le robot demande alors à son interlocuteur de lui apprendre à ouvrir et fermer la boite. Le professeur peut lui enseigner en exécutant lui-même la tâche ou en la faisant faire au robot ».

 

 

                                   

 

 

 

Après ces deux étapes d'apprentissage, le robot devient parfaitement autonome et capable d'exécuter cette nouvelle tâche. Le but de cette recherche est de comprendre les processus de cerveau humain et de les transférer progressivement dans les systèmes cognitifs pour des robots humanoïdes. Une des meilleures manières de tester les robots est de les mettre en compétition avec ceux développés par les meilleures équipes internationales.

« Nous pouvons encore améliorer notre connaissance du cerveau. Notre prochaine étape sera de permettre au robot de comprendre des phrases multiples dans un discours ou un dialogue, de représenter la signification des événements et leurs liens dans l'espace et le temps ». Les résultats de ces recherches pourraient également avoir un impact social et médical en proposant par exemple une aide à l'autonomie pour les personnes âgées ou handicapées, conclut Peter Ford Dominey.

DOCUMENT              CNRS                LIEN

 

Instruments de la physique au service de la biologie et de la médecine
Sept chercheurs présentent des applications récentes en médecine et biologie de techniques mises au point au départ dans le domaine de la physique. Sigrid Avrillier (Laboratoire de physique des lasers, Villetaneuse) décrit un capteur laser qui permet de mesurer les propriétés d'oxygénation des tissus. Le principe de l'appareil repose sur l'analyse de la réflexion d'un rayon laser par un tissu biologique : lorsque le laser entre en contact avec la peau, on observe une tache de couleur due à la réémission de lumière par le tissu. Philippe Lanièce (Institut de physique nucléaire, Orsay) présente le système de tomographie gamma haute résolution TOHR. TOHR est utilisé pour obtenir une image du cerveau d'un petit animal (ici un rat). Le marqueur radioactif utilisé est le technétium. Pascal Laugier (Laboratoire d'imagerie paramétrique, Faculté de médecine de Paris) étudie l'utilisation des ultrasons en imagerie médicale. Un test basé sur l'analyse d'une image du calcanéum, un os du talon, a été mis au point pour mesurer l'évolution de l'ostéoporose. Bernard Renault (Laboratoire Neurosciences cognitives et imagerie cérébrale, hôpital de la Pitié Salpétrière de Paris) utilise la magnéto-encéphalographie et l'électro-encéphalographie pour localiser les zones d'activité du cerveau et les relier aux gestes du patient. Les zones activées sont visualisées par des gradients de couleur sur les images de la tête. L'intérêt de la magnéto-encéphalographie est sa résolution temporelle exceptionnelle (de l'ordre du millième de seconde). Mathias Fink (Laboratoire Ondes et acoustique, Ecole supérieure de physique et de chimie industrielle de Paris) est un spécialiste de la propagation des ultrasons. Il présente d'abord un détecteur d'ultrasons à très haute fréquence qui permet de visualiser les ondes de cisaillement dans les tissus et de différencier ceux-ci en fonction de leur dureté (détection de nodules plus durs que les tissus mous qui les entourent). Est ensuite décrite une technique de correction du front d'onde qui permet d'éliminer les effets de distorsion engendrés par les os du crâne dans l'échographie cérébrale. Jacques Bittoun (Unité de recherche en résonance magnétique médicale, hôpital du Kremlin Bicêtre) utilise l'IRM pour étudier les fonctions cardiaques et pulmonaires. L'air qui remplit les poumons étant insensible à la RMN, il faut utiliser de l'hélium hyperpolarisé, inoffensif pour l'être humain. L'IRM cardiaque permet de visualiser la vitesse et l'accélération du sang dans l'aorte. Didier Chatenay (Laboratoire de dynamique des fluides complexes, Strasbourg) s'intéresse à la structure de l'ARN. Une "pince optique" (laser) permet de manipuler une molécule d'ARN pour mesurer à l'aide de la microscopie par ondes évanescentes le repliement lors de la transcription. Le repliement est également étudié par simulation numérique.
Générique
Auteur, réalisateur : Olivier Blond Producteur : CNRS Audiovisuel Diffusion : CNRS Diffusion Copyright CNRS 2001

VIDEO          CNRS        LIEN

Paris, 21 septembre 2011

Première traversée en solitaire d'un électron dans un métal
Quiconque chercherait à traquer un électron dans un métal serait bien en peine : les électrons sont non seulement des particules indiscernables les unes des autres, mais ils ont tendance à se déplacer en groupe dans les métaux. Pourtant, c'est bien la traversée solitaire d'un électron dans un tel matériau qu'ont réussi à observer et à maîtriser des physiciens de l'Institut Néel (CNRS) à Grenoble. Pour débusquer le phénomène, les chercheurs ont fabriqué un dispositif expérimental à base de « boîtes quantiques », entre lesquelles un unique électron a littéralement surfé sur une onde sonore. Une première qui pourrait sonner le début de la téléportation du spin d'un électron et de l'ordinateur quantique. Ces travaux sont publiés dans la revue Nature le 22 septembre 2011.
Les boîtes quantiques sont le premier élément clé du dispositif conçu par les physiciens grenoblois, en collaboration avec les universités de Tokyo et de Bochum, en Allemagne. Circuits électroniques de plus en plus répandus dans les laboratoires de physique, les boîtes quantiques sont des sortes de pièges microscopiques à électrons. C'est-à-dire qu'on sait, via un fil électrique afférent, y glisser un par un des électrons. Les chercheurs de Grenoble ont placé deux de ces boîtes aux extrémités d'un canal sculpté dans une fine couche d'or (elle-même superposée à un sandwich constitué d'un isolant, de l'arséniure de gallium et d'un métal). La première boîte sert à libérer un électron dans le canal. La seconde, à récupérer la particule à l'autre bout, 3 microns plus loin.

Mais pour rendre possible cette traversée au long cours d'un électron, encore fallait-il aux physiciens imaginer un moyen de propulser l'électron d'une boîte quantique à l'autre. Un rôle dévolu à un générateur d'ondes radio, pièce essentielle de l'expérience. En émettant des ondes radio, le générateur produit par effet piézoélectrique (la capacité d'un matériau à se déformer en présence d'un champ électromagnétique) des ondes sonores dans l'arséniure de gallium. Ces ondes se comportent alors comme des vagues qui poussent l'électron le long du canal, un « surf » version électronique. En inventant ce mode de propulsion inédit, les scientifiques ont fait de l'électron un navigateur solitaire.

Au-delà de la performance expérimentale, le « surf électronique » donne des pistes en physique fondamentale pour généraliser les expériences d'optique quantique à d'autres particules que les photons. Pour l'instant, les grains de lumière sont en effet les seules particules à s'être prêtées à la téléportation et à la cryptographie quantiques. L'obstacle pour utiliser des électrons était précisément la difficulté à les déplacer individuellement entre boîtes quantiques (les briques de bases qu'on envisage pour ce type de physique). En faisant sauter ce verrou, le surf sur ondes sonores est un pas vers la téléportation du spin d'un électron, la cryptographie quantique à base d'électrons et l'ordinateur quantique.

DOCUMENT          CNRS          LIEN