Peter Higgs, l'un des physiciens ayant découvert le mécanisme de Brout-Englert-Higgs. © Claudia Marcelloni, Cern
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Boson de Brout-Englert-Higgs : 10 ans après sa découverte, où en est-on ?

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[EN VIDÉO] Qu'est-ce que le boson de Higgs ?  Avant d'être découvert, le boson de Higgs a été postulé. Cette particule singulière, qui n'est ni de la matière ni le véhicule d'une force, était une pièce manquante des théories existantes. Nathalie Besson, physicienne au CEA, nous explique pourquoi les scientifiques ont introduit cet étrange boson. 

Il y a 10 ans, le 4 juillet 2012, le Cern annonçait qu'il avait confirmé l'existence d'une particule mythique donnant sa masse aux particules élémentaires - ce n'est pas le cas des protons et des neutrons - et permettant d'unifier deux forces fondamentales de l'Univers dont l'une expliquant comment les étoiles brillent et pourquoi la Terre crache encore des laves. C'est donc l'anniversaire de la découverte du boson de Higgs et un petit bilan à son sujet s'impose grâce aux explications de Julien Baglio, physicien théoricien au Cern.

C'était il y a tout juste 10 ans, le Cern annonçait la découverte d'un nouveau boson lors d'une conférence en présence de Peter Higgs, François Englert, Gerald Guralnik, Carl Richard Hagen, mais hélas, sans Robert Brout. Leur présence ne devait rien au hasard car on savait qu'il s'agissait très probablement de la particule mythique qu'est le boson de Higgs.

Les années qui allaient suivre n'ont fait que confirmer la découverte du boson, parfois aussi appelé de Brout-Englert-Higgs (BEH), dont l'existence avait été prédite théoriquement par ces trois chercheurs, indépendamment de trois autres collègues (il faut ajouter au nom de Guralnik et Hagen celui de Tom Kibble), dans les années 1960.

François Englert au Cern devant un des détecteurs géants du LHC, l'un des physiciens ayant découvert le mécanisme de Brout-Englert-Higgs. © Cern-Claudia Marcelloni

Bien que Peter Higgs ait été le premier à parler clairement de l'existence de ce nouveau boson -- nécessairement associé à un nouveau champ quantique et pouvant servir à donner une masse à des particules élémentaires cousines des photons qui peuvent jouer le rôle de nouvelles forces dans le monde des hadrons en particulier --, l'existence du boson BEH était déjà implicite dans un article envoyé pour publication avant ceux de Peter Higgs et que l'on doit en juin 1964 à François Englert et Robert Brout.

On peut s'en convaincre à la lecture de l’article consacré par Matthew Chalmers, rédacteur en chef du Cern Courier, à l'anniversaire de l'annonce de la découverte de cette « sacrée particule », pour reprendre une expression du prix Nobel de PhysiqueLeon Lederman.

Ce boson, très instable, n'est pas observable directement, de sorte que, depuis des années, ce sont en fait les produits de sa désintégration en d'autres particules, avec des caractéristiques particulières, qui ont mis en évidence indirectement son existence fugace dans le déluge de particules produites par les collisions de protons dans les deux détecteurs géants du LHC, Atlas et CMS.

En 1982, au Cern, une équipe de physiciens, dirigée par l’Italien Carlo Rubbia, réalise une des plus extraordinaires expériences de la physique contemporaine. L'objectif est de prouver l'existence de deux nouvelles particules subatomiques, les bosons W et Z, et de confirmer ainsi la théorie électrofaible proposée dans les années 1960 par Abdus Salam, Shelton Glashow et Steven Weinberg. © Cern, BBC Open University, YouTube

Les bosons W, des bosons massifs et chargés

Futura a demandé au physicien Julien Baglio -- qui travaille sur la physique du boson de Higgs au Cern et qui avait déjà donné plusieurs interviews à Futura quant à la possibilité de découvrir de la nouvelle physique avec lui au LHC -- de nous faire un état des lieux des recherches concernant ce boson depuis 10 ans.

Mais, pour comprendre ses propos, il n'est pas inutile de faire quelques rappels.

Initialement, le boson de Brout-Englert-Higgs ne servait qu'à donner une masse aux bosons Z et W, des cousins du photon sans masse impliqués dans l'unification des forces électromagnétiques et nucléaires faibles dans le cadre du modèle (ou de la théorie) dit de Glashow-Salam-Weinberg proposé en 1967. Ce modèle utilise ce que l'on appelle des équations de Yang-Mills et est un exemple de théorie dite de jauge dans le jargon des théoriciens des champs quantiques. Il était impossible de doter d'une masse les particules associées à ces champs avant la découverte d'un mécanisme dit de brisure de symétrie rendu possible par l'existence du champ du boson de Higgs. Sans masse, les bosons de jauge auraient dû avoir une portée infinie, comme les photons, en contradiction avec les expériences qui les confinaient au monde des hadrons dans les noyaux atomiques.

Le modèle GSW a été étendu au début des années 1970 pour se joindre à la théorie des forces nucléaires fortes entre les constituants des hadrons, les quarks, la chromodynamique quantique (QCD ou Quantum Chromodynamics en anglais) de Harald Fritzsch et Murray Gell-Mann.

Ensemble, les deux théories constituent ce que l'on appelle le modèle standard de la physique des hautes énergies (il ne contient pas une théorie quantique de la gravitation) décrivant les quarks et les leptons (comme l'électron et les neutrinos). Ce modèle standard implique notamment qu'un boson BEH peut se désintégrer en une paire de photons par un processus indirect purement quantique et c'est d'ailleurs une des principales signatures de l'existence de ce boson observées, peu avant 2012, qui a motivé l'annonce d'une découverte. Celle-ci couronnait d'ailleurs des décennies de recherches au Cern dont les scientifiques avaient déjà mis en évidence l'existence des bosons W et Z au début des années 1980 comme l'explique la vidéo ci-dessus.

Un documentaire sur la vie du prix Nobel de physique Hideki Yukawa raconté par son fils avec des images inédites d'Einstein. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © National Archives and Records Administration, U.S. Information Agency

Les couplages du prix Nobel Hideki Yukawa

La découverte du boson de Higgs peut en effet se voir comme celle de la clé de voûte du modèle standard.

C'est d'autant plus vrai que, en plus de donner une masse aux bosons W et Z, il était possible également de donner des masses aux quarks et leptons du modèle standard via des couplages dits de Yukawa, comme le disent les physiciens dans leur jargon.

Il s'agit de relations mathématiques similaires à celles postulées au début des années 1930 par le physicien japonais Hideki Yukawa pour son modèle des forces nucléaires fortes entre les protons et les neutrons à l'aide de l'échange d'une particule massive, le pion, encore appelé méson pi. Le pion est décrit par un champ scalaire, c'est donc un boson, tout comme celui de Brout-Englert-Higgs, dans le cadre d'une théorie quantique des champs. Protons et neutrons sont eux des fermions, tout comme les quarks et les leptons.

Ces couplages sont un peu comme le seraient des forces de frottements pour des objets de différentes formes et tailles se déplaçant dans l'air. Le champ du boson BEH serait en quelque sorte l'air, et les ondes sonores, les équivalents des paquets d'énergie des bosons de Higgs dans le champ. Comme la masse est une mesure de la résistance d'un corps à son mouvement sous l'effet d'une force, la masse est donc une sorte de coefficient de frottement dans cette analogie et symétriquement, un couplage de Yukawa peut se voir en partie comme la présence d'une masse pour un champ de particules qui « frottent » sur le champ de Higgs.

Remarquablement, le champ BEH peut se coupler à lui-même, ce qui donne une masse au boson de Higgs. Si l'on note H ce champ, le modèle standard suppose qu'il existe dans ses équations une fonction V(H) qui correspond à une densité d'énergie. Cette fonction, et notamment sa forme, est intimement liée à un mécanisme de brisure de symétrie que l'on appelle le mécanisme BEH et qui intervient dans l'existence des masses des particules. Tester la validité du modèle standard avec le boson de Higgs se fait donc à trois niveaux, d'abord démontrer l'existence du boson, ensuite celle des couplages de Yukawa et enfin du mécanisme BEH lui-même. On n'entrera pas dans la description complète de ce mécanisme mais les curieux pourront consulter à ce sujet les explications qu'a données lui-même pour le public cultivé le prix Nobel François Englert dans la vidéo terminant cet article.

On peut tout de même expliquer que V(H) doit avoir la forme suivante où mH est la masse du boson de Higgs.

                                                    V(H) = mH H2 + aH3 + b H4

Pour les physiciens des particules, cette fonction se traduit par l'existence de réactions de production de particules décrites par ce que l'on appelle des diagrammes de Feynman, diagrammes symbolisant, telles des notes de musique, des équations décrivant les réactions que l'on peut observer entre particules. Sonder l'existence et la forme précise du mécanisme BEH revient donc à déterminer et mesurer certaines réactions. En l'occurrence, le terme aH3 indique qu'un boson BEH doit pouvoir produire une paire de boson de Higgs et le terme bH4 un triplet.

Un diagramme de Feynman montrant une interaction avec trois bosons de Higgs dont un est produit par une paire de gluons "g" et des quarks/antiquarks top. Le couplage λ est en relation avec le terme « a » dans l'équation V(H). On voit aussi le couplage de Yukawa pour le quark top Yt . © Cern

Nous voici en mesure de mieux comprendre les réponses de Julien Baglio à nos questions, surtout si l'on a en mémoire le contenu de ses précédentes interviews que voici :

Julien Baglio sur le massif du mont Blanc en 2020. ©Julien Baglio

Futura : Après quelques années à l’arrêt pour permettre des améliorations du LHC et des détecteurs géants qui l’équipent, la troisième campagne d’exploration du monde des particules à hautes énergies va commencer avec le début du Run 3 ce 5 juillet 2022. Mais on sait bien que les analyses des données accumulées au cours des Run 1 et 2 ne se sont pas arrêtées pour autant. Notre connaissance de la physique du Higgs a-t-elle progressé ?

Julien Baglio : Oui, ainsi il semble bien établi maintenant, au moins dans le cas des quarks top et bottom, qu'ils sont connectés au boson de Higgs selon des couplages de Yukawa. Dans le cadre du modèle standard, cela veut dire qu'un boson de Higgs peut se désintégrer en une paire de quarks et d'antiquarks de chacun de ces deux types (les physiciens parlent de saveurs à ce sujet et il en existe 6 pour les quarks selon notre connaissance actuelle) ou inversement qu'une telle paire peut s'annihiler en donnant un boson de Higgs. Depuis 2018, nous voyons en fait directement l'existence de la désintégration du boson de Higgs en quarks bottom et nous voyons aussi la production d'une paire de quarks top et d'un boson de Higgs en même temps dans les données collectées avec Atlas et CMS.

Toutefois, le modèle standard ne fixe pas exactement les valeurs de ces couplages dont on pense qu'ils sont déterminés par une nouvelle physique. Celle-ci pourrait donner lieu également à des interactions différentes des quarks et des leptons avec le boson de Higgs. Nous disposons donc là d'une fenêtre ouverte possible dans le futur sur l'existence et la nature de cette nouvelle physique.

Peut-on dire que l’on sait donc maintenant qu’au moins avec ces deux saveurs de quarks, on a confirmé que, non seulement le boson BEH donne bien une masse aux bosons W et Z de la force électrofaible, mais aussi à des particules de matière ?

Julien Baglio : Presque, il nous faudrait aussi confirmer l'existence du mécanisme de brisure de symétrie BEH du modèle standard et donc la forme exacte du potentiel V(H). Nous n'avons toujours, et ce devrait être encore le cas avec le Run 3, que des contraintes indirectes sur la forme de ce potentiel via les réactions de couplage du boson de Higgs avec lui-même que cette forme implique. Il est peu probable que l'on puisse voir le couplage triple pendant le Run 3. Voir le couplage quadruple y est impossible car la probabilité de produire 3 bosons de Higgs est trop petite pour que l'on puisse accumuler suffisamment de données pour voir cette réaction au Run 3.

Par contre, on devrait pouvoir exclure l'absence de couplage du boson de Higgs avec lui-même avec un LHC encore plus « lumineux » ; un LHC à haute luminosité - ou HL-LHC - qui devrait voir le jour à l'horizon de la seconde moitié des années 2020.

Le LHC à haute luminosité est une amélioration majeure du Grand collisionneur de hadrons (LHC). Découvrez dans cette vidéo les grands défis de ce projet. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ». © Cern

Augmenter la luminosité des faisceaux de protons est équivalent à augmenter un flux de photons donc la luminosité d'une lampe. Avec le LHC, cela signifie qu'un plus grand nombre de collisions seront possibles par seconde, ce qui permettra d'espérer observer des événements improbables en un temps raisonnable.

Quelles sont les perspectives pour de la nouvelle physique avec le Run 3 et le HL-LHC ?

Julien Baglio : Déjà, on va continuer à faire des mesures de précisions avec les prédictions du modèle standard car ce seront peut-être de légères déviations avec ce que ce modèle prédit qui nous indiqueront l'existence et la nature de cette nouvelle physique. On sait qu'il est récemment apparu une anomalie dans la détermination de la masse du boson W, mais on doit encore rester prudent à son sujet.

On va de toute façon continuer à mesurer les couplages de Yukawa et l'un des objectifs poursuivis à ce sujet concerne les quarks charmés. Améliorer la précision sur la mesure des couplages de Yukawa avec le lepton chargé de deuxième génération, le muon, cousin de l'électron, est aussi un objectif.

En revanche, les principaux modèles qui prédisaient une abondance de particules supersymétriques aux énergies et à la luminosité accessible avec le LHC sont fortement contraints, et la probabilité d'observer leurs prédictions est devenue bien plus faible, même si bien des choses restent encore théoriquement possibles, comme la détection de plusieurs bosons de Higgs dont certains seraient chargés électriquement. Même dans ce dernier cas, il est devenu peu probable que le Run 3 nous les montre, en supposant bien sûr qu'ils existent. Mais si le LHC les observait, ce serait une formidable découverte avec un nouveau monde qui s'offrirait à nous.

Il existe encore d'autres possibilités exotiques d'une nouvelle physique que l'on va continuer à chasser, notamment les modèles à base de leptoquarks qui sont des particules réalisant un couplage direct entre quarks et leptons et qui pourraient permettre d'expliquer nombre de mesures récentes en léger désaccord avec le modèle standard. Mais il est malheureusement possible aussi que le modèle standard reste valable jusqu'à des énergies que, même avec un collisionneur de la taille de la Terre, nous ne pourrions pas atteindre.

Une présentation du projet du futur collisionneur circulaire du Cern : le FCC. Pour obtenir une traduction en français assez fidèle, cliquez sur le rectangle blanc en bas à droite. Les sous-titres en anglais devraient alors apparaître. Cliquez ensuite sur l'écrou à droite du rectangle, puis sur « Sous-titres » et enfin sur « Traduire automatiquement ». Choisissez « Français ».  © Cern

Il existe tout de même justement des projets de grands collisionneurs au-delà de l’HL-LHC.

Julien Baglio : Effectivement, il y est notamment envisagé pour l'horizon 2040 la mise en service du FCC, pour Future Circular Collider. Avec presque 100 kilomètres de circonférence, près de trois fois la taille du LHC, il permettrait d'atteindre dans les décennies suivantes des énergies encore plus élevées, à terme de l'ordre de 100 TeV dans des collisions de protons. Si ce projet venait à se réaliser, il commencerait sous la forme d'un collisionneur électron-positron. Le LHC avait fait de même avec le LEP qui l'avait précédé dans son tunnel actuel.

Effectuer une étude détaillée des propriétés du boson de Higgs se fait plus facilement et plus rapidement avec des collisions de leptons, comme les électrons, au lieu de hadrons. Ces collisionneurs de hautes énergies sont en fait des usines à boson de Higgs, permettant une précision inégalée sur ses couplages aux autres particules ainsi que ses propriétés physiques. Depuis des années, le développement d'une de ces machines, l'International Linear Collider (ILC), avait été poussé très loin. Mais la réalisation de l'ILC reste pour le moment très incertaine. Espérons, cependant, que le FCC sera lui réalisé et qu'à terme, il amènera la découverte d'une nouvelle physique.

Conférence organisée par la section Paris-Sud de la SFP. Avec Francois Englert, physicien théoricien. Robert Brout et ce dernier, ainsi que Peter Higgs ont imaginé en 1964 un mécanisme de brisure de symétrie qui s'appelle le mécanisme de Brout-Englert-Higgs et qui, appliqué à l'interaction électrofaible, permet de générer les masses des particules élémentaires. © Société Française de Physique


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