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Que le boson de Higgs existe ou non, il vient de recommander à la postérité le nom de deux physiciens : le belge François Englert (81 ans) de l’université libre de Bruxelles et le britannique Peter Higgs (84 ans) de l’université d’Edimbourg, que l’académie suédoise a décidé de récompenser par le prix Nobel de physique. Pour les scientifiques, le fameux boson est également associé à Robert Brout, (qui m’a enseigné la mécanique quantique), décédé en 2011. Le nom complet du boson est actuellement BEH, pour boson de Brout Englert Higgs.
1. Le Modèle standard de la physique des particules
Trouver une théorie unificatrice des particules élémentaires et de leurs interactions (ou forces) est un peu la pierre philosophale des physiciens modernes. Si l’on se concentre sur les particules subatomiques dites fondamentales, un pas de géant a été fait avec la mise au point d’un modèle unificateur appelé Modèle standard. Celui-ci décrit les particules élémentaires et trois des quatre interactions fondamentales, les forces électromagnétiques, faibles et fortes à l’exclusion de la gravité.
Le boson BEH est nécessaire pour faire tenir le Modèle standard. Ainsi que le décrit le CERN, (Organisation européenne pour la recherche nucléaire) "C’est le Modèle standard de la physique des particules qui nous aide le mieux à comprendre la façon dont ces particules et dont trois des quatre forces de la nature sont reliées entre elles". On comprend donc à la fois que le Modèle standard est la théorie unificatrice la plus à même d’expliquer les phénomènes physiques observés (mais on n’a pas une certitude à 100% que c’est la "bonne" théorie) et que le Modèle standard lui-même ne permet pas d’unifier l’ensemble des quatre forces fondamentales, la gravité restant rétive à ce stade à toute approche unificatrice.
2. Le chainon manquant dans le Modèle standard
Nous avons donc compris que le modèle standard décrit les particules élémentaires et trois de leurs interactions. "Mais il y a un hic. Dans ce modèle, toutes ces particules paraissent dépourvues de masse". La seule manière d’expliquer que certaines des particules élémentaires ont une masse fut émise par Robert Brout, François Englert et Peter Higgs. Les physiciens postulent l’existence d’un champ dit champ BEH ou champ de Higgs présent dans tout l’univers. C’est ce champ qui donne une masse à certaines particules élémentaires.
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Le CERN nous explique l’origine de la masse des particules en remontant à l’origine de l’univers. Juste après le Big Bang, le champ de Higgs était nul, mais, lorsque l’Univers a commencé à se refroidir, et que la température est tombée en dessous d’une certaine valeur critique, le champ s’est développé spontanément, si bien que toutes les particules interagissant avec ce champ ont acquis une masse". Plus la particule interagit avec le champ, plus grande sera sa masse.
© CERN - Genève
3. Le champ de Higgs et sa particule associée
Comme tout champ en physique, le champ de Higgs (ou champ BEH) est associé à une particule, le fameux boson BEH. C’est celle-ci qui permet au champ d’échanger avec les autres particules, ici de leur octroyer une masse. John Ellis, un physicien britannique, utilise l’image du "champ de neige" pour décrire le champ et le boson BEH. "Imaginons que tout l’univers soit rempli d’un champ de neige parfaitement identique en tout point de l’univers". Le boson BEH est le flocon qui compose ce champ de neige. On se déplace rapidement à ski sur un champ de neige, comme un photon qui n’a pas de masse et n’interagit pas avec le champ. Par contre, avec des raquettes ou même des chaussures, l’interaction avec le champ devient plus forte. C’est comme une particule interagissant avec le champ de Higgs : elle acquiert une certaine masse et se déplace de ce fait plus lentement.
4. Le LHC, une aventure humaine extravagante
L’existence et les propriétés du fameux Boson avaient été prédites théoriquement en 1964 par MM. Brout, Englert et Higgs. Un peu comme on postule que la pièce manquante d’un puzzle doit se trouver quelque part dans la chambre en spéculant sur sa forme, sauf qu’ici le puzzle est le Modèle standard et la pièce manquante le boson BEH.
Comment faire pour mettre en évidence cette particule ? C’est ici que prend place une des aventures humaines les plus extraordinaires. Au CERN à Genève, sous la houlette des vingt Etats membres de l’Organisation, on décide au milieu des années quatre-vingt dix, de démonter le collisionneur précédant et d’en monter un tout nouveau dans le même tunnel long de 27 kilomètres passant sous la France et la Suisse. L’opération titanesque se déroule sur une dizaine d’années et, le 21 octobre 2008, est inauguré officiellement le LHC, l’accélérateur de particules le plus grand du monde.
Certains qualifient aussi le LHC d’expérience scientifique la plus chère au monde. D’après Forbes, le coût total de l’expérience ayant conduit à "trouver" le boson BEH est de 13,25 milliards de dollars (coût de construction du LHC et de son fonctionnement jusqu’à la "découverte") ; le LHC nécessitant un staff de 10.000 personnes qui y travaille en permanence !
5. Un champ expérimental ouvert
Le 4 juillet 2012, le CERN a annoncé avec une confiance de 4.9 sigma (99,9999 %) avoir découvert, grâce au LHC, une particule d’une masse de 125,3 GeV/c2 ± 0,6. Cette particule est un boson BEH, mais est-ce le boson du Modèle standard ? Des études restent à réaliser pour l’affirmer avec certitude.
Le 14 mars 2013, le CERN explique les défis à venir : " Les chercheurs arrivent à la conclusion que la nouvelle particule ressemble de plus en plus à un boson de Higgs, cette particule liée au mécanisme qui donne une masse aux particules élémentaires. La question reste toutefois ouverte de savoir s’il s’agit bien du boson de Higgs du Modèle standard de la physique des particules, ou plutôt du plus léger d’un ensemble de bosons prédits dans certaines théories au-delà du Modèle standard. Répondre à cette question prendra du temps".
Le LHC, le grand collisionneur de hadron est l’accélérateur de particules le plus grand et le plus puissant du monde. Il est le dernier maillon du complexe d’accélérateurs du CERN. Il consiste en un anneau de 27 kilomètres de circonférence formé d’aimants supraconducteurs et de structures accélératrices qui augmentent l’énergie des particules qui y circulent.
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C’est quoi le boson de Higgs ? La réponse de Sandrine Laplace, chercheuse au CNRS, dans cette vidéo de notre partenaire Thinkovery. Plus de vidéos ici.
