Qu'est-ce qu'un résultat significatif pour le boson de Higgs ?

 

Il me paraît important d'apporter quelques précisions pour bien comprendre ce qui a été annoncé au CERN mardi 13 décembre (voir Le boson de Higgs à découvert).
Je vais expliquer (ou tenter, du moins) ce qu'est un résultat significatif en physique des particules, c'est à dire une découverte. On peut déjà affirmer sans crainte qu'aucun résultat significatif ne sera annoncé le 13 décembre, hélas. Mais ça ne veut pas pour autant dire que le Higgs n'est pas très proche d'être officiellement découvert.
Voilà pourquoi :
La mise en évidence du boson de Higgs repose sur la production au LHC de milliards de collisions de protons. Chaque collision produit une quantité d'énergie très importante qui est suivie par la création de très nombreuses particules secondaires, qui vont ensuite se désintégrer, produisant d'autres particules, intéragir dans les divers composants des structures ou des détecteurs rencontrés ou pas interagir du tout et disparaître au loin.
A partir de la détection des tous ces événements de particules secondaires, les physiciens les analysent pour reconstruire ce qui pourrait être les bosons de Higgs à leur origine et surtout quelle serait leur masse.
Ils peuvent ainsi tracer sur un histogramme le nombre d’événements en fonction de la masse reconstruite.
Ça serait simple si c'était binaire (signal de Higgs ou pas signal de Higgs). mais comme vous l'avez compris, c'est bien plus complexe. La quantité de particules détectées est phénoménale, et déterminer qu'un photon gamma détecté en particulier est bien celui qui est issu d'un boson de Higgs et n'est pas issu d'un autre phénomène d'une interaction parasite, c'est chercher une aiguille dans une énorme botte de foin, voire une grange.
Les physiciens doivent pouvoir séparer ce qu'on appelle le Signal et ce qu'on appelle le Bruit (le signal parasite, pour faire simple). Lorsque le bruit est du même ordre ou presque que le Signal, il faut alors utiliser des méthodes statistiques pour montrer qu'un signal "sort" du bruit.
Alors comment font-ils, au final, ces physiciens des particules ? Et bien ils mesurent un signal, un bruit et affectent au signal ce qu'on appelle un intervalle de confiance. L'intervalle de confiance, c'est la plage sur laquelle on peut être sûr avec une certaine probabilité que le résultat annoncé se trouve dedans.
Un intervalle à 2 sigmas correspond à un niveau de confiance de 95% : on peut se tromper dans 5% des cas; intolérable.
Un intervalle à 3 sigmas correspond lui à un niveau de confiance de 99.7%, ça reste insuffisant pour annoncer une telle découverte...
Tout l'enjeu des annonces faites au CERN réside dans la longueur de l'intervalle de confiance qui est annoncé.
Un résultat qui est annoncé avec un intervalle de confiance entre 2 et 3 sigmas n'est pas très intéressant, on en a déjà vu qui se sont révélés faux, mais si il est supérieur à 3 sigmas, on peut dire que ça commence à sentir bon, même si il faut rester prudent et que la découverte ne peut pas rigoureusement être proclamée.
La seule façon de réduire la largeur de l'intervalle de confiance (obtenir une meilleure précision sur le résultat) en augmentant le niveau de confiance, c'est de réduire l'écart type sigma. Et que faut-il faire pour réduire cet écart-type ? C'est très simple : Il faut augmenter la population de l'échantillon : faire plus de collisions de protons, détecter plus de particules!
Les expériences CMS et ATLAS n'ont pas encore suffisamment d'événements enregistrés, il faudra probablement attendre 2012 pour atteindre des niveaux de confiance à 5 sigmas. Et c'est seulement à ce moment-là qu'une vraie découverte pourra être annoncée. La patience s'impose.

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