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Fête de la science : le boson de Higgs, une clé entre deux infinis

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Par Laurent Sacco, Futura

C'est la Fête de la science du 9 au 13 octobre 2013. Le thème de cette année est « De l'infiniment grand à l'infiniment petit ». Futura-Sciences vous propose donc de revivre la grande aventure du boson de Higgs avec quelques-uns des articles que nous avons consacrés à ce sujet. La quête du fameux boson, un extraordinaire plongeon des physiciens dans l'infiniment petit, a débouché sur des implications qui vont jusqu'à l'infiniment grand, à travers la matière et l'énergie noire, ou encore la naissance même de l'univers observable. Sa découverte vient de valoir à Peter Higgs et François Englert le prix Nobel de physique 2013.

Peter Higgs est l'un des physiciens à l'origine du mécanisme de Brout-Englert-Higgs expliquant la masse des particules élémentaires. Mais il a été le premier à parler explicitement d'une particule associée à ce mécanisme, c'est pourquoi on parle du boson de Higgs. © Peter Tuffy, Université d’Édimbourg

Au cours du XXe siècle, les physiciens ont effectué une spectaculaire descente dans l'infiniment petit, à la recherche des constituants ultimes de la matière. Elle a débuté avec la découverte de l'électron par Joseph John Thomson, la démonstration de l'existence des atomes par Jean Perrin et enfin la découverte du noyau par Ernest Rutherford. Mais c'est la grande révolution de la théorie quantique, l'invention du cyclotron par Ernest Orlando Lawrence et les travaux des pionniers de l'étude des rayons cosmiques qui vont poser les bases de ce que nous appelons aujourd'hui la physique des particules élémentaires.

De nos jours, quand on évoque cette physique, il nous vient en tête le LHC et le boson de Higgs. La quête du boson de Higgs est devenue presque mythique. D'une certaine façon elle a commencé en 1967, lorsque Steven Weinberg et Abdus Salam ont publié quasi indépendamment une théorie unifiée des forces électromagnétique et nucléaire faibles. Comme elle reprend en partie les travaux d'un autre physicien qui aura le prix Nobel de physique avec eux, Sheldon Glashow, on la désigne souvent comme le modèle de Glashow-Salam-Weinberg (GSW). Le terme de théorie électrofaible est aussi employé.

La chasse au boson de Higgs avec le LHC

Or, pour être cohérente, cette théorie postulait l'existence de cousins du photon, appelés boson W et Z. Ces particules devaient posséder une masse. Weinberg et Salam proposèrent d'utiliser un mécanisme basé sur l'existence d'un nouveau champ dans la nature. Ce champ et ce mécanisme avaient été considérés pour la première fois au début des années 1960 par Peter Higgs, François Englert et Robert Brout, et aussi Thomas Kibble, Gerald Guralnik, Carl Hagen.

Pour ces chercheurs, ce champ et surtout ce que l'on appelle maintenant le mécanisme de Brout-Englert-Higgs devait permettre d'expliquer les masses de particules associées aux forces, mais pas encore de toutes les particules connues à l'époque, comme l'électron et le proton. Pour Weinberg et Salam, il s'agissait surtout de doter d'une masse leurs bosons intermédiaires W et Z, qui véhiculent les forces électrofaibles entre les quarks et les leptons. Comme tous les champs en théorie quantique, ce champ contient lui aussi des paquets d'énergie lorsqu'il oscille. Dans le cas présent, il s'agit de particules connues sous le nom de boson de Higgs.

Avant de partir à la chasse au boson de Peter Higgs, encore fallait-il démontrer l'existence des bosons W et Z. Mais aussi construire un accélérateur de particules capable de produire des bosons de Higgs et des détecteurs suffisamment sensibles pour le mettre en évidence. C'est le Cern qui releva ces défis et avec les succès que l'on connaît.

Redécouvrez trois des articles Futura-Sciences consacrés à ces questions :

Une vidéo extraite du site « Du Big Bang au vivant » avec des commentaires de Jean-Pierre Luminet sur le LHC. Le site www.dubigbangauvivant.com est un projet multiplateforme francophone sur la cosmologie contemporaine. Hubert Reeves, Jean-Pierre Luminet et d'autres chercheurs y répondent à des questions à l'aide de vidéos. © Groupe ECP, YouTube

La découverte du boson de Higgs

C'est finalement le 4 juillet 2012 que le Cern a annoncé la découverte d'un nouveau boson lors d'une conférence, en présence de Peter Higgs, François Englert, Gerald Guralnik, Carl Richard Hagen, hélas sans Robert Brout. Mais il fallait encore rester prudent, même si l'on avait déjà de bonnes raisons de penser que les nouvelles particules découvertes étaient bien des bosons de Higgs. Au début de l'année 2013 le doute était levé.

Rappelons (voir article en lien ci-dessous) qu'il n'existe plus de bosons de Higgs dans l'univers depuis le Big Bang. En outre, ce n'est pas le boson de Higgs mais le champ de Higgs et le mécanisme de Brout-Englert-Higgs qui expliquent la masse de certaines particules dans l'univers observable. L'essentiel de la masse des objets faits de baryons est porté par des protons et des neutrons. Comme la masse de ces nucléons ne provient pas des quarks mais du champ de gluons (d'autres cousins du photon), selon la chromodynamique quantique (la théorie des forces nucléaires fortes), le boson de Higgs n'explique pas la masse des étoiles par exemple.

Une grande aventure venait d'aboutir, et nous vous proposons de la revivre avec les articles ci-dessous :

Au-delà du boson de Higgs

La découverte du boson de Higgs représente une clé pour mieux comprendre l'infiniment petit, mais pour les physiciens, elle le déborde largement. L'existence d'un champ de Higgs a des conséquences profondes pour eux, car il s'agit d'un champ scalaire, le premier découvert à jouer un rôle fondamental en physique des particules.

Or, ce champ de Higgs, s'il permet de résoudre des problèmes dans le cadre du modèle standard en physique des hautes énergies, en pose d'autres. La solution à ces problèmes la plus étudiée est la supersymétrie, qui a des conséquences directes sur la nature de la matière noire et de l'énergie noire, des pièces maîtresses du modèle cosmologique standard. Surtout, d'autres champs de Higgs, postulés pour unifier les forces nucléaires fortes et électrofaibles, ont conduit les physiciens à la théorie de l'inflation en cosmologie. Bien que Planck n'ait pas encore fourni la preuve de l'existence d'une phase inflationnaire pendant une période très primitive de l'histoire de l'univers observable, cela semble très probable.

Le boson de Higgs ouvre donc plusieurs portes sur l'infiniment petit et l'infiniment grand, comme en témoignent plusieurs articles de Futura-Sciences. Mais l'on ignore encore lesquelles...

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