Peter Higgs devant le détecteur Atlas au LHC. © Cern

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Boson de Higgs et théories GUT : les explications de Julien Baglio

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Les Rencontres de Moriond ont permis d'exposer les derniers résultats de la chasse au boson de Brout-Englet-Higgs avec le Tevatron et le LHC. C'est l'occasion d'en apprendre un peu plus sur cette particule mythique et ses liens avec l'unification des lois de la physique, en compagnie d'un des théoriciens spécialistes du boson de Higgs, Julien Baglio.

Le Tevatron est définitivement arrêté depuis des mois mais le volume de données concernant les collisions entre protons et antiprotons accumulées pendant des années a continué d'être analysé. Dans le même temps, les physiciens du Cern faisaient de même avec les données fournies par Atlas et CMS. Bien que rien ne soit encore certain, la conviction est grandissante que le boson de Higgs existe bel et bien. 

Oui mais quel boson de Higgs

À l'origine, il n'y a qu'une seule particule, un boson de spin nul, postulé simultanément et indépendamment par François Englert, Robert Brout et Peter Higgs en 1964 avec un mécanisme physique donnant une masse à des particules. Mais des cousins ont aussi été proposés dans les années 1970, dans le cadre de théories prolongeant le modèle standard et capables d'unifier les forces de la nature, notamment avec la gravitation. Il s'agit de théories que l'on rassemble généralement sous les termes de GUT et de supersymétrie.

Nous avons demandé à un habitué de Futura-Sciences de longue date, puisqu'il a été un des modérateurs de notre forum, de nous parler un peu de tout cela. Il s'agit de Julien Baglio. Après avoir décroché le master de physique théorique de l'ENS Ulm, il est devenu docteur en physique théorique de l'université Paris-Sud. Son sujet de thèse portait justement sur la physique du boson de Brout-Englert-Higgs (BEH), comme on l'appelle de plus en plus, et ses avatars dans les théories supersymétriques. Il est actuellement enseignant-chercheur en CDD à l'Institut de physique théorique (KIT) à Karlsruhe, en Allemagne.

Il a bien voulu accorder une interview à Futura-Sciences, que voici. La première partie traite des aspects du boson de Higgs en rapport avec les GUT. Nous exposerons la suite dans un autre article.

Julien Baglio devant le tableau noir de son bureau lors de son séjour au Cern dans la division de physique théorique. © Julien Baglio/ Laurent Sacco, Futura-Sciences

Futura-Sciences : CMS et Atlas ont posé de nouvelles bornes pour l'intervalle de masse où peut se trouver le boson de Higgs. On sait donc bien maintenant que, s'il existe, sa masse doit être probablement entre 116 GeV et 127 GeV, n'est-ce pas ?

Julien Baglio : C'est un peu plus compliqué que cela, car, comme précédemment avec le Tevatron, ce qui a été obtenu ce sont des bornes pour la masse d'un boson de Higgs standard, c'est-à-dire pour la particule associée à un mécanisme expliquant l'origine des masses des bosons W et Z, dans le modèle des interactions électrofaibles de Glashow-Salam-Weinberg (GSW).

Ce modèle constitue, avec celui des interactions nucléaires fortes entre quarks, la chromodynamique quantique, ce qu'on appelle le modèle standard en physique des particules. Mais il existe d'autres modèles analogues reproduisant les résultats des réactions de productions et de désintégrations des particules déjà observées. Le mécanisme de Higgs y est un peu différent et conduit à certaines réactions entre particules, pouvant trahir l'existence d'un boson de Higgs, qui ne sont pas celles du modèle standard.

Un boson de Higgs non standard pourrait donc exister et avoir une masse en dehors de l'intervalle défini par les mesures d'Atlas et de CMS. En termes techniques, les couplages du boson de Higgs avec d'autres particules seraient plus faibles que ceux du modèle standard. Ce scénario est intéressant puisqu'il fait intervenir une nouvelle physique.

On sait que le grand mathématicien Alain Connes avait justement proposé une telle nouvelle physique. Il s'agit d'une théorie unifiée des interactions, basée sur la géométrie non commutative issue de ses travaux. Elle prédit une valeur pour la masse du boson de Higgs d'environ 170 GeV. Cette théorie échappe-t-elle aux contraintes de CMS et Atlas ?

Julien Baglio : Il s'agit effectivement d'une théorie physique au-delà du modèle standard mais elle prédit des caractéristiques du boson de Higgs qui sont telles que l'on peut tester cette hypothèse comme si l'on était en présence d'un boson de Higgs standard. De fait, les mesures du Tevatron avaient déjà mis en difficulté la théorie d'Alain Connes. Il semble maintenant que, dans sa formulation initiale, cette théorie ne concorde pas avec l'expérience. Elle a été réfutée.

Le grand mathématicien français Alain Connes. À l'aide de la géométrie non commutative dont il est l'un des découvreurs, il avait proposé une explication pour l'existence du boson de Higgs. © serge.mehl.free.fr

Au passage, il y a quelque chose que l'on passe généralement sous silence lorsque l'on parle du modèle de GSW. On le présente comme un modèle unifié de la force nucléaire faible et de la force électromagnétique mais en réalité, ce n'est pas vraiment une théorie unifiée. Il y a deux champs de forces indépendants, basés sur deux groupes de jauges, SU(2) et U(1) et deux constantes de couplages (g et g'), analogues à ceux de l'électromagnétisme, à savoir le groupe U(1) du champ électromagnétique et la constante de structure fineα, liée à la charge électrique e. Ces champs se combinent pour donner ceux du photon et des bosons W et Z.

Dans une vraie théorie unifiée, il n'y aurait qu'un seul groupe de jauge et une seule constante. Un exemple d'une théorie de ce genre a été proposé au début des années 1970. Il s'agissait d'une théorie unifiée des forces nucléaires fortes, faibles et de l'interaction électromagnétique basée sur le groupe de jauge SU(5).

Pourquoi cette théorie a-t-elle été abandonnée ?

Julien Baglio : À la grande déception d'un des théoriciens qui l'avait proposée, Howard Georgi, la théorie SU(5) prédisait un taux de désintégration pour le proton que n'ont pas confirmé des expériences comme IMB (pour Irvine-Michigan-Brookhaven detector en anglais). Pourtant, elle semblait très prometteuse. Elle permettait en particulier d'expliquer la quantification de la charge en prédisant l'existence de monopôles magnétiques, elle unifiait les quarks et les leptons et introduisait de nouvelles forces permettant de résoudre le mystère de l'antimatière cosmologique.

Des cousins des bosons W et Z, baptisés X et Y, apparaissaient du fait de l'unification des forces, permettant aux quarks de se transformer en leptons et inversement. Comme ils violaient aussi la conservation du nombre baryonique et la symétrie CP, ils représentaient exactement ce qu'il fallait pour satisfaire aux conditions de Sakharov, nécessaires en cosmologie pour expliquer la prédominance de la matière sur l'antimatière.

Howard Georgi à l'occasion d'une fête en l'honneur de Sydney Coleman. © The President and Fellows of Harvard College

Comme pour le modèle de GSW, il fallait introduire un mécanisme de Higgs pour doter les nouveaux bosons d'une masse. Toutefois, ce devait être de nouveaux champs de Higgs avec plusieurs nouveaux bosons de Higgs.

Il existe des variantes de la théorie de Georgi-Glashow, baptisées par John Ellis Théories de grande unification (GUT en anglais), qui sont encore compatibles avec l'expérience, en particulier avec de la supersymétrie.

La découverte d'un boson de Higgs non standard nous donnerait plus de confiance en l'existence de théories de type GUT. Comme les masses des bosons X et Y sont très élevées, de l'ordre de 1015 GeV, et donc inatteignables en accélérateur, on comprend que toutes les indications indirectes en faveur d'une GUT soient les bienvenues.

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