Prouver qu'une particule n'existe pas : possible ?

[invitee25c59cf]

Bonjour,

Si le CERN n'avait pas découvert le Boson de Higgs grâce au LHC, les physiciens auraient-ils déclaré qu'il n'existe pas ou qu'ils ne l'ont pas trouvé ?

Je précise ma question :

Les travaux de Higgs indiquent que le Boson de Higgs à une masse qui est comprise dans un intervalle.

Or, dans un intervalle, il existe une infinité de valeurs.

Conséquence : les physiciens ont eu une chance extraordinaire de trouver le Boson de Higgs car ils auraient pu chercher les particules qui ont une masse légèrement inférieure ou / légèrement supérieure à celle du Boson de Higgs.

Si vous me dites que les travaux de Higgs indiquent également que la masse du Boson de Higgs, s'il existe, est un entier naturel compris entre deux valeurs alors si le CERN ne l'avait pas trouvé le CERN aurait dit : "le Boson de Higgs n'existe pas".

Remarque : j'ai cru comprendre que pour générer le Boson de Higgs, il faut créer une collision qui a une certaine énergie. Donc si cette énergie est trop faible ou si elle est trop forte, le Boson de Higgs n'est pas généré donc il n'est pas détecté.

Cordialement

Sophie
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[Quarkonium]

Salut,

Tu n'as pas besoin d'avoir un système dont l'énergie est exactement égale à la masse de ta particule pour la créer. Si par chance c'était le cas cas, tu aurais juste assez d'énergie pour créer la masse de ta particule : elle serait donc au repos (sans énergie cinétique). Mais en réalité, il suffit que l'énergie de la collision soit supérieure à la masse de la particule que tu veux créer (c'est l'énergie seuil de la réaction de création de cette particule). Si l'énergie est supérieure, alors tu pourras créer ta particule, qui possédera également une certaine quantité d'énergie cinétique : elle sera en mouvement (cette énergie "en trop" peut également servir à créer d'autres particules, avec ou sans énergie cinétique).

D'autre part, si les physiciens du CERN n'avait pas trouvé le boson de Higgs dans la gamme d'énergie explorée, ils auraient pu dire qu'il est simplement trop massif pour être créé dans cette gamme d'énergie. Si par contre, ils n'avaient rien trouvé dans l'intervalle délimité par les modèles théoriques, alors nous aurions pu conclure que le boson de Higgs tel que nous l'avions imaginé dans les modèles n'existe pas.

[invited9b9018b]

Bonjour,

Votre question soulève plusieurs problèmes différents.
Je vais répondre d'abord pour le cas du Higgs.

Le boson de Higgs est un modèle très précis et avec peu de paramètres. Le paramètre qu'il restait à déterminer était sa masse (réel), et sa masse connue, le modèle standard prédisait de façon univoque à la fois sa section efficace de production dans un processus physique ainsi que ses rapports de branchement.
Donc, pour une expérience donnée, et une masse de Higgs donnée, on peut calculer exactement le nombre d'événements de tels type attendus, comparer à l'expérience et éventuellement exclure la possibilité que le Higgs, s'il existe, soit de masse comprise dans certains intervalles.

Reste à savoir quel intervalle de masse est testable, et cela dépend entièrement de l'expérience en jeu. En effet, admettons que le Higgs dans la nature soit trop massif, de masse supérieure à l'énergie de centre de masse des accélérateurs. Dans ce cas c'est mort, il ne sera pas produit. Heureusement on peut obtenir des limites supérieures sur la masse du Higgs si le modèle standard est valide jusqu'à certaines énergies [ http://www.hep.lu.se/atlas/thesis/eg...is-node21.html ] et [Fig. 1 https://arxiv.org/pdf/1211.4828v3.pdf ].
De là on savait que si le Higgs existait, on devait être capable de le découvrir au moins au LHC.

En ce qui concerne l'ajustement de l'énergie de centre de masse ; dans un collisionneur de particules composites comme le LHC ce n'est pas vraiment un problème, parce qu'alors les processus primaires sont issus de collisions entre "partons" (constituants des protons en collision) avec une distribution de probabilité qui dépend du type de parton et de leur quantité de mouvement, donc au final une machine comme le LHC produit des collisions de façon effective pour tout un spectre d'énergie de centre de masse inférieure. (avec ses avantages et ses inconvénients)

Au LEP l'énergie de centre de masse était fixée mais ce n'aurait pas été un problème en soit. Le processus dominant de production du Higgs y aurait sans doute été :



Donc on attend certes une résonance aux alentours de 90 GeV à cause du Z virtuel si le Higgs était de masse assez faible, comme confirmé par des graphes trouvés sur le net [ http://wwwthep.physik.uni-mainz.de/~...SS_10_May6.pdf ], mais pas une détermination flagrante en fonction de et (sauf bien sur la frontière cinématique évoquée par quarkonium) et malgré tout le LEP a quand même donné des contraintes assez bonnes sur la masse du Higgs faute de découverte.

Donc pour résumer, pour le Higgs, si le modèle standard est bien vérifié aux énergies testées (et cela semble bien être le cas) alors sa masse devait être suffisamment faible pour qu'il soit observable au moins au LHC et il restait à mesurer cette masse. Si le LHC n'avait rien vu, alors le modèle standard / le boson de Higgs devait être incorrect.

Mais dans un cas plus général : il existe des modèles avec davantage de degrés de liberté si bien qu'il existera toujours certaines valeurs des paramètres de la théorie pour lesquelles elle ne serait pas observable. Dans ce cas, il est possible qu'on ne puisse pas exclure l'existence de telle ou telle particule hypothétique de cette théorie, ce qui remet un peu en cause son caractère scientifique... Il est très facile d'inventer des nouvelles particules qui seraient invisibles, mais ça n'a que peu de valeur.

A+

[invitee25c59cf]

Bonjour,

Merci pour vos réponses.

Je comprends qu'il fallait déterminer sa masse réelle. Quand vous parlez de "sa masse connue" et d' "une masse de Higgs donnée", je suppose que vous faites référence à sa masse théorique.

Je comprends qu'il faut "exclure la possibilité que le Higgs, s'il existe, soit de masse comprise dans certains intervalles" théoriques, si on ne le voit pas apparaitre dans l'expérience.

Enfin, vous dites : "dans un cas plus général : il existe des modèles avec davantage de degrés de liberté si bien qu'il existera toujours certaines valeurs des paramètres de la théorie pour lesquelles elle ne serait pas observable". Pouvez-vous m'expliquer pourquoi s'il vous plait ?

Merci.

Sophie

[A voir en vidéo sur Futura]

[invited9b9018b]

Re,
Apparemment il y a un problème d'encodage quand je poste depuis mon téléphone, je réécrit donc mon précédent post ici et j'en profite pour le compléter.

Quand j'ai écrit "réel" c'était pour désigner l'ensemble des réels en référence à votre remarque initiale mais ca n'a pas d'importance et vous pouvez l'ignorer. Il n'y avait pas de masse théorique pour le Higgs, la masse était en gros un paramètre libre dyans le modèle, une constante supplémentaire de la nature.

Enfin, vous dites : "dans un cas plus général : il existe des modèles avec davantage de degrés de liberté si bien qu'il existera toujours certaines valeurs des paramètres de la théorie pour lesquelles elle ne serait pas observable". Pouvez-vous m'expliquer pourquoi s'il vous plait ?

On peut postuler des particules avec des masses très élevées par exemples, totalement hors de portée des accélérateurs de particules. Ou bien introduire de nouvelles interactions avec des couplages suffisamment faibles pour que les section-efficace impliquant la particule hypothétique soit trop petits pour qu'elle soit produite de façon vérifiable dans de telles expériences.
C'est un problème assez récurrent avec les théories de matière noire qui par définition introduisent des particules stables qui interagissent très faiblement et donc qui pourraient tout à fait passer inaperçues (e.g. WIMPs, "weakly interacting massive particles" et candidats à la matière noire)
Et des modèles avec un espace des paramètres large et en partie intestable.
Dans ce cas on recherche souvent d'autres façons de contraindre ces théories (e.g. via des contraintes cosmologiques). Par exemple des WIMPs avec une section efficace d'annihilation trop faible (et potentiellement hors de portée dans les accélérateurs) ne se seraient pas suffisamment annihilées après le big-bang et seraient en surabondance aujourd'hui par rapport à la quantité de matière noire effectivement observée.
Mais il existe souvent des moyens de contourner ces problèmes, par exemple les monopôles magnétiques prédits par un certain nombre de théories et possiblement trop massifs pour le LHC peuvent n'avoir aucune manifestation "cosmologique" grâce à des mécanismes comme l'inflation primordiale.

A+