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Quelle différence entre boson et champ de Higgs ?

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La physicienne Nathalie Besson est membre du Service de Physique des Particules de l'Institut de recherche sur les lois Fondamentales de l'Univers au CEA de Saclay. Avec le détecteur Atlas au LHC, elle étudie les bosons W et Z du modèle standard dont les masses s'expliquent par l'existence du boson de Brout-Englert-Higgs. Dans cette vidéo, elle nous explique qu'il faut bien faire la différence entre boson et champ de Higgs.

Pour comprendre la différence entre boson et champ de Higgs, il faut saisir la différence entre un champ et une excitation de champ, comme entre l'océan et une vague ou encore entre l'eau d'une piscine et le son qui s'y propage.

Pour un physicien, le champ est la donnée en tout point de l'espace d'un ou plusieurs nombres décrivant une réalité physique donnée. Par exemple, dans l'atmosphère, un thermomètre ou un baromètre indiquent, en tout point, une température ou une pression. Il existe donc un champ de température et un champ de pression. Ces champs sont définis par des quantités dites scalaires, du latin scala, signifiant « échelle » ou « escalier » : le liquide d'un thermomètre grimpe le long des graduations comme on franchirait les barreaux d'une échelle.

Mais dans l'atmosphère, il existe aussi du vent. Pour le caractériser, on utilise des anémomètres qui mesurent une vitesse dans une direction et un sens donnés, idéalement en chaque point de la Terre. Une direction, un sens et une intensité d'une grandeur, comme la vitesse, c'est un vecteur pour un physicien. Voilà donc défini un champ de vecteurs. On peut définir aussi ces quantités dans l'océan et à sa surface, et parler, par exemple, de champ de densité de l'air et de l'eau. Dans l'eau et dans l'air, des chocs génèrent des ondes sonores qui sont des variations des champs de pression. Si une pierre frappe la surface de l'eau, des ondes vont être produites. Quand elles atteindront un bouchon flottant à proximité, elles le mettront en mouvement. S'il est trop loin, les ondes auront eu le temps de se dissiper complètement et aucun mouvement n'en résultera.

Sur cette vidéo sont reconstitués, par simulation, les mouvements et les courants complexes des océans. On peut les définir par des champs de vecteurs sur une sphère donnant la direction et la vitesse des écoulements d'eau. Les équations gouvernant dans le temps et l'espace les modifications de ce champ de vecteurs vitesse décrivent l'évolution des courants océaniques. Des équations similaires avec d'autres champs de vecteurs, ou des champs scalaires comme la température, la densité de l'eau, sont utilisées en physique. On peut même dire que toute la physique s'écrit avec des champs et des équations de champs. © NasaExplorer-YouTube

Les particules, les paquets d'énergie des champs en mouvement

Pour les physiciens, cette définition ne se limite pas aux mouvements ou aux oscillations d'un milieu matériel, comme les ondes sonores, le vent ou les vagues. Il existe des champs fondamentaux, qui constituent la nature même de la matière et des forces agissant sur elle. Les plus connus sont le champ électromagnétique et le champ de gravitation. Mais il existe aussi des champs de matière à l'origine des électrons, des quarks et des neutrinos.

Dans une piscine au repos, si un caillou tombe dans l'eau, des ondes, sonores ou de surface, vont se propager, transportant de l'énergie. Cependant, sans élément perturbateur, de telles ondes sont absentes mais, pour autant, l'eau est tout de même bel et bien là. La physique quantique nous apprend que l'énergie des ondes se présente sous forme de paquets discrets, des quanta d'énergie. Dans le cas d'une onde électromagnétique, ces paquets sont des photons. Dans le cas du son au sein d'un solide, ces paquets sont des phonons et, pour une onde dans un champ électronique, ces paquets sont des électrons ou des positrons.

On peut maintenant comprendre comment, d'après les physiciens, « l'existence du champ de Higgs donne une masse aux particules élémentaires ». Prenons toujours l'exemple de la piscine et établissons un dictionnaire d'analogies. Le champ de Higgs sera l'eau dans la piscine et le boson de Higgs sera le quanta d'énergie des ondes de ce champ, tout comme il peut y avoir des ondes sonores quand deux nageurs se heurtent dans la piscine.

Selon sa taille et sa forme, un objet sera plus ou moins facile à mettre en mouvement dans l'eau. Dans le vide ou dans de l'eau sous forme gazeuse très peu dense, ces différences seraient éliminées ou négligeables. Or, la masse, ou encore, de manière plus précise, l'inertie d'un objet, est bien une certaine mesure de la difficulté à le mettre en mouvement. Ainsi, dans un certain sens, ces objets ont une masse parce qu'ils interagissent avec l'eau.

Or, rappelons-le, dans notre dictionnaire, le champ de Higgs est l'eau, le boson de Higgs est le quanta d'énergie d'une onde sonore ou d'une vague sur l'eau. Il est donc absurde de dire qu'un objet peine à se déplacer dans l'eau, qu'il a une masse, parce qu'il y a des ondes sonores. C'est d'autant plus faux que le phénomène existe même quand il n'y a aucune onde sonore.

Dans cette vidéo en anglais, l'analogie entre le champ de Higgs et l'effet de l'eau sur des objets est reprise. Mais attention, à la fin de la vidéo, il faut bien garder présent à l'esprit que les bosons de Higgs constituent le champ de Higgs quand celui-ci est en mouvement et oscille à la façon des ondes sonores dans l'eau ou à celle des ondes de surface, comme des vagues. Protons et neutrons ne sont pas constitués de quarks top (t) mais de quarks up (u) et down (d). Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur « cc » pour que s'affichent d'abord des sous-titres en anglais si ceux-ci n'apparaissent pas déjà. En passant simplement la souris sur « cc », apparaîtra « Traduire les sous-titres ». Cliquez pour faire apparaître le menu du choix de la langue, choisissez « français » puis « ok ». © fermilab-YouTube

Résumons : ce n'est pas le boson de Higgs mais bien le champ de Higgs qui peut servir à expliquer la masse de particules. En général, il n'existe pas de bosons de Higgs autour de nous, notamment car ils sont trop lourds. Tout comme pour des ondes sonores ou des vagues dans une piscine, il faut des chocs entre des particules (des protons, par exemple, au LHC, des protons) pour exciter le champ de Higgs et donc fabriquer des bosons de Higgs. Et tout comme les ondes sonores, ces bosons vont se dissiper rapidement.