Comment débusquer le boson insaisissable avec un laser et un nuage de points express
Deux faisceaux d'une luminosité éblouissante se percutent frontalement. Au point de rencontre, une particule naît l'espace d'un instant : celle-là même qui est responsable de la masse de tout ce qui existe. C'est le boson de Higgs. Habituellement, on l'obtient en accélérant des protons ou des électrons, mais ici, ce sont les particules de lumière elles-mêmes, les photons, qui servent de projectiles. L'idée n'est pas nouvelle, mais on veut désormais la concrétiser sur une installation où un laser à électrons libres (XFEL) frappe une cible, produisant un puissant flux de rayons gamma de l'énergie voulue — environ 125 GeV, ce qui correspond précisément à la masse du boson de Higgs.
La principale difficulté est de séparer les rares événements de production de Higgs du bruit de fond. En général, les physiciens construisent des chaînes complexes de critères, en s'appuyant sur des caractéristiques individuelles des particules. Les auteurs ont choisi une autre voie : ils ont transformé les données du détecteur en un nuage de points, où chaque point représente un amas d'énergie (un jet ou un lepton), et ses coordonnées reflètent la direction et l'impulsion. Ensuite, un réseau de neurones, semblable à ceux qui apprennent à reconnaître la forme d'objets à partir d'un ensemble de pixels, entre en jeu. Il trouve lui-même dans ce nuage le motif caractéristique de la désintégration du boson de Higgs. Pour l'optimiser au mieux, ils ont utilisé un algorithme génétique — une méthode qui imite la sélection naturelle : des centaines de variantes du réseau se croisent et mutent jusqu'à ce qu'apparaisse la plus « perspicace ».
Le résultat dépasse les méthodes traditionnelles : la sensibilité au signal a été multipliée par plusieurs. Cela signifie que même sur un collisionneur compact de ce nouveau type, on pourra compter les bosons de Higgs avec une précision de joaillier et détecter les moindres écarts par rapport aux prédictions du modèle standard. Et de tels écarts sont une fenêtre sur des forces et des particules encore inconnues.
Ainsi, le faisceau laser qui dessine un nuage de points devient un outil non seulement d'observation, mais aussi de chasse aux ombres d'autres mondes, cachées au plus profond de la matière.
Le boson de Higgs est parfois surnommé la « particule de Dieu », mais les physiciens n'aiment pas ce sobriquet. Son rôle réel est plus modeste et plus important : sans lui, les électrons resteraient sans masse, et les atomes ne pourraient tout simplement pas se former.
Dans le roman « Le Problème à trois corps » de Liu Cixin, les extraterrestres utilisent des protons dépliés dans l'espace comme des ordinateurs extrêmement complexes — de la même manière, le réseau de neurones « déplie » ici le nuage de points dans un espace multidimensionnel pour trouver un signal caché.