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La découverte du boson de Higgs

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Membre du Service de physique des particules de l'Institut de recherche sur les lois fondamentales de l'Univers au CEA de Saclay, la physicienne Nathalie Besson étudie les bosons W et Z grâce au détecteur Atlas du LHC. Elle nous raconte l'extraordinaire chasse au boson de Brout-Englert-Higgs, une épopée qui a commencé il y a bien longtemps et mobilisé les plus grands accélérateurs de particules.

Lorsqu'il a été postulé en 1964, le boson de Higgs n'avait pas de masse bien définie. Il en fut de même lorsque le mécanisme de Brout-Englert-Higgs, associé à ce boson scalaire, fut utilisé par Sheldon Glashow, Abdus Salam et Steven Weinberg en 1967 pour donner des masses aux bosons W et Z de la théorie unifiée des forces électromagnétique et nucléaire faible qu'ils ont proposée à l'époque. Des années 1970 au début des années 1980, personne ne cherchait vraiment le boson. Sa masse pouvant être comprise en 10 et 1.000 GeV, il pouvait être hors de portée des accélérateurs de l'époque et l'on se contentait donc de contraintes indirectes sur son existence. En outre, l'existence des bosons Z et W auxquels il devait donner une masse restait à démontrer.

Une fois faite leur découverte au début des années 1980, la quête du boson de Higgs est donc devenue plus impérative et la stratégie à adopter se faisait plus claire. La mise en service au Cern du grand collisionneur électrons-positrons, ou LEP (Large Electron Positron collider), l'accélérateur de particules circulaire de 27 km de circonférence qui allait accueillir ensuite le LHC, a vraiment lancé la chasse au boson de Higgs entre 1989 et 2000. Entré en service en 1983, le Tevatron, un collisionneur de protons et d'antiprotons du Fermilab (Batavia, États-Unis), est progressivement monté en énergie et en luminosité, jusqu'à devenir un candidat sérieux pour la découverte du boson de Higgs au cours des années 2000. En fait, il a surtout servi à exclure plusieurs domaines de masses possibles pour le boson de Higgs. Malgré quelques indications ténues entretenant l'espoir d'une découverte, il a été fermé en 2011 car il ne pouvait pas entrer en concurrence avec le LHC.

Et le Higgs devint la particule de Dieu

C'est finalement au Grand collisionneur de hadrons européen que reviendra la découverte du boson de Higgs, dont l'annonce fut faite le 4 juillet 2012 avec enfin une première estimation de sa masse, environ 125 GeV. La particule était déjà devenu mythique dans le grand public des années avant comme « la particule de Dieu », un surnom dû au titre d'un livre du prix Nobel de physique Leon Lederman, l'ancien directeur du Fermilab. Son éditeur avait modifié le choix originel de l'auteur, Goddamn Particle, soit « cette sacrée particule », pour le rendre plus attractif pour le lecteur américain moyen.

On cherche aujourd'hui à préciser les propriétés du boson de Higgs, ses canaux de désintégration par exemple, en espérant qu'elles différeront quelque peu des prédictions du modèle standard et pointeront donc en direction d'une nouvelle physique. Il pourrait notamment exister, aux énergies accessibles au LHC, des cousins du boson de Higgs prédits par les théories supersymétriques.