Lycée Léonard de Vinci - Amboise

disciplines

Le boson de Higgs découvert ?

Vous êtes ici : Disciplines > Sciences physiques et chimiques > Actualités > Archives > Le boson de Higgs découvert ?

Le boson de Higgs, une bête étrange


Le boson de Higgs est une particule hypothétique qui était vraisemblablement présente dans un passé extrêmement lointain de l’Univers, autour d’un dix-milliardième de seconde (10–10 s) après le Big Bang, à une époque où la température frisait les millions de milliards de degrés (1015 K). Il a fallu toute la démesure du grand collisionneur de hadrons du Cern, le LHC, pour atteindre de telles échelles d’énergie.

Avant d’être piégé au LHC en juillet 2012, le Higgs est né dans l’imagination de scientifiques (Peter Higgs, Robert Brout et François Englert) qui l’ont estimé indispensable pour résoudre une énigme théorique : pourquoi certains bosons – particules médiatrices des interactions, comme le photon pour l’interaction électromagnétique – n’ont-ils pas de masse alors que d’autres, comme le W (médiateur de l’interaction nucléaire faible), en ont une ? Qu’a-t-il bien pu se passer dans les premiers instants de l’Univers pour qu’un tel phénomène puisse se produire ? Peter Higgs subodore alors qu’une nouvelle particule – qui prendra son nom – a dû interagir, avec une intensité plus ou moins grande, avec toutes les autres présentes à cet instant : certaines – comme le photon – ne se sont pas mêlées à elle et sont restées sans masse ; d’autres – comme le W – se sont couplées avec elle et ont pris de la masse. C’est un bel échafaudage théorique qui reçoit alors confirmation.

Mais comment le boson lui-même a-t-il acquis sa masse ? La réponse n’est pas simple.« Avec le Higgs apparaît une nouvelle propriété qui est la masse ; on pourrait dire que la masse est due aux fluctuations de l’énergie du vide » explique Laurent Serin, directeur adjoint de l’IN2P3. En effet, le vide qui règne dans ces premiers instants a un niveau d’énergie qui varie sans cesse, comme le clapotis des vagues à la surface de la mer. Parfois, au gré du hasard, au cours d’une de ces fluctuations, l’énergie se matérialise puisque – nous le savons depuis Einstein – masse et énergie sont deux facettes d’une même entité. Cette matérialisation est précisément la masse du Higgs… comme s’il avait interagi avec lui-même !

 

L’événement capturé par le détecteur CMS à une énergie dans le centre de masse de la collision proton-proton de 8 TeV. Il montre les caractéristiques attendues pour la désintégration du boson de Higgs du modèle standard en une paire de photons (lignes jaunes pointillées et tours vertes), mais pourrait aussi être issu d’un processus de bruits de fond connus du modèle standard…

 

 

Une histoire hors du commun

 

C’est le bouquet final d’une aventure qui a débuté dès les premières décennies du XXème siècle, le couronnement d’un monument de la pensée, patiemment élaboré à coup d’audaces, de doutes et de travail acharné. Le tout inscrit dans la trame de l’histoire, sur fonds d’horreurs nazies, de souffrances et d’exodes, entrecoupés de quelques plages de quiétude et de prospérité. Ce monument intellectuel a officiellement un nom bien modeste : le « modèle standard de la physique des particules ». Il prétend expliquer le monde dans ses ultimes détails par des raisonnements logiques, décrire de quoi est faite la matière et quelles sont les forces qui la structurent. Il aurait pu rester hypothétique, comme un récit de science-fiction. Mais toutes ses prédictions ont été vérifiées. De fait, l’édifice intellectuel élaboré reflète bien le réel. Le Higgs – comme on l’appelle – était la dernière particule à jouer les cachotières, près de cinquante ans après que son existence eût été envisagée. Elle vient de trouver sa place dans le tableau des particules élémentaires censées expliquer toute la diversité de l’Univers. Sa découverte par les équipes des expériences Atlas et CMS du Cern, situé à la frontière franco-suisse, vient de mettre une touche finale à l’ensemble du modèle standard. Au-delà de cette validation scientifique extraordinaire, c’est un pari fou qui se trouve spectaculairement couronné : parvenir à expliquer le monde par la seule force de la pensée et la logique des mathématiques.

Les héros de cette saga sont tous des lauréats du prix Nobel de physique : Rutherford, Planck, Einstein, Bohr, Schrödinger, Heisenberg, Fermi, Pauli… Certains, expérimentateurs de génie, d’autres, férus de théorie, ont bâti des constructions abstraites et prédit l’existence de particules inconnues observées parfois des décennies plus tard. Dans la première moitié du XXème siècle, le territoire de cette recherche s’étend aux grandes villes d’Europe : Cambridge (Grande-Bretagne), Zurich (Suisse), Vienne (Autriche), Göttingen (Allemagne), Paris… Avant que la Seconde Guerre mondiale ne fasse glisser le centre de gravité du bouillonnement intellectuel au-delà de l’Atlantique, dans les grands laboratoires américains. Les premières briques de l’édifice ont été posées dès 1906 : Joseph John Thomson, du laboratoire Cavendish de l’Université de Cambridge, met en évidence de petites particules de charge électrique négative, les électrons. Elles se nichent au sein de l’atome, que l’on considérait depuis le XIXème siècle – et la théorie atomique du Britannique John Dalton – comme l’ultime constituant de la matière. La découverte de Thomson change donc la donne !

Et les physiciens ne sont pas au bout de leurs surprises. En 1911, le Néo-Zélandais Ernest Rutherford, qui travaille lui aussi au laboratoire Cavendish, fait un étrange constat : il bombarde des feuilles d’or avec des particules si petites – des particules alpha – qu’elles devraient passer à travers les atomes de l’or. Or, il constate qu’une bille sur 8 000 revient vers la source, preuve qu’elle a rebondi sur une structure inconnue. Il en déduit que l’atome contient un noyau minuscule. Nous le savons aujourd’hui : si ce noyau avait la taille d’un petit pois, l’atome lui-même aurait un diamètre d’un kilomètre. Mais Rutherford ne s’arrête pas là : si l’atome comporte des charges négatives, par le biais de l’électron, il postule qu’au sein de l’édifice existent des charges positives afin que la matière vérifie bien la neutralité électrique qui la caractérise à l’échelle macroscopique. En 1919, ses expériences lui montrent des choses étranges : c’est comme si tous les noyaux portaient en leur sein une particule de charge positive, aussitôt baptisée proton. Les charges positives et négatives s’équilibrent : l’atome est donc bien neutre. Nul n’ira chercher plus loin… jusqu’en 1932 et la découverte du Britannique James Chadwick. Fait prisonnier en Allemagne lors de la Première Guerre mondiale, ce jeune étudiant de Rutherford laisse son esprit s’envoler pendant sa captivité. Mentalement, il conçoit des expériences, qu’il met en œuvre à son retour à Cambridge. L’une d’elles consiste à envoyer des particules alpha sur la matière : il observe alors un rayonnement inexpliqué et l’interprète comme le signe de l’existence d’une particule neutre ayant la même masse que le proton, qu’il baptise neutron. Les physiciens savent dès lors que le noyau de l’atome comporte des neutrons et des protons, particules que l’on désigne sous le nom de nucléons, d’une taille d’environ 10–15 mètre, soit un millionième de milliardième de millimètre.

Cette avalanche de découvertes bouleverse les théoriciens, qui s’interrogent avec effervescence sur la nature de ces particules : sont-elles vraiment similaires à des billes ou peuvent-elles parfois être assimilées à des ondes ? A Berlin, Max Planck émet une idée révolutionnaire : dans ce monde subatomique, les échanges d’énergie se font de manière discontinue, par paquets qu’il nomme quanta. De son côté, le Danois Niels Bohr établit un modèle de l’atome où les électrons gravitent autour du noyau sur des orbites circulaires, comme les planètes autour du Soleil… Quant à l’Autrichien Erwin Schrödinger, il utilise les travaux du Français Louis de Broglie pour les considérer comme des ondes : pour lui, la lumière est une onde, et la matière aussi ! Une hypothèse contre-intuitive qui séduit les physiciens, tant ces calculs prédictifs sont cohérents et même élégants. L’Allemand Werner Heisenberg pousse encore plus loin : le grain de matière est insaisissable comme un nuage de points, om chaque point constituerait une position probable du grain… Dès lors, les dés de la grande aventure de la physique des particules sont jetés. Les maîtres-mots en sont « poupées russes », car la matière se révèle être un ensemble de constructions emboîtées (jusqu’au quark), et « prédiction » car la théorie s’étoffe au gré des découvertes et se construit grâce à des hypothèses qui se trouvent confirmées.

Mais les physiciens sont confrontés à un nouveau défi, technique cette fois : pour atteindre le cœur de l’infiniment petit et en surprendre les ultimes constituants, il faut déployer beaucoup d’énergie. Autrement dit, « taper » de plus en plus fort sur la matière pour en obtenir des débris toujours plus petits, car les fameuses particules alpha utilisées par Rutherford ne font plus l’affaire. La solution a été fournie par Albert Einstein quelques décennies plus tôt : les particules accélérées à des vitesses proches de celle de la lumière (300 000 km/s) sont capables de déployer des énergies gigantesques : de quoi briser l’atome en ses infimes fragments. Le premier accélérateur de particules, le Cyclotron, est alors inventé par l’Américain Ernest Orlando Lawrence, professeur à l’Université de Berkeley, en Californie. Il ouvre la voie d’une longue lignée de machines, jusqu’au Fermilab (Etats-Unis) et au Cern. Théorie et observation peuvent alors avancer de concert. En 1930, l’Autrichien Wolfgang Pauli suppose l’existence d’une nouvelle particule sans charge électrique et sans masse* pour résoudre une énigme : alors qu’un neutron peut se désintégrer en un proton et un électron (radioactivité bêta), pourquoi l’énergie de ces deux particules ainsi créées reste-t-elle inférieure à celle de la particule d’origine ? Son hypothétique particule – baptisée neutrino par son collègue Enrico Fermi – permettait de mettre cette désintégration en accord avec le principe de conservation de l’énergie. Paris gagné : en 1958, Clyde Cowan et Frederick Reines observent le premier neutrino. Le second est vu en 1963 au laboratoire de Brookhaven, à Long Island (Etats-Unis), et le troisième se manifeste au Fermilab en 2000. Depuis, le « petit neutre » n’a pas déserté les médias, puisque pendant quelques mois une erreur expérimentale a failli faire croire qu’il se déplaçait plus vite que la lumière…

En attendant, les nucléons n’avaient pas dit leur dernier mot : l’hypothèse de l’existence d’une nouvelle particule – le quark – a été émise en 1964 par Murray Gell-Mann. La théorie en exigeait pas moins de six variétés ou « saveurs » auxquelles les noms les plus étranges ont été donné : haut et bas, étrange, beau, charmant et vrai… Ces prédictions très particulières ont toutes été confirmées : le quark charmant a été découvert simultanément grâce à l’accélérateur de Stanford (Californie) et à celui de Brookhaven (Etat de New York) en 1994. Les nucléons sont donc composés de quarks, les dernières des « poupées russes ».

Une offensive théorique succède à cette salve de découvertes de particules nouvelles. En 1967, l’Américain Sheldon Glashow, aujourd’hui professeur à l’Université d’Harvard, le Pakistanais Abdus Salam (décédé en 1996) et l’Américain Steven Weinberg, aujourd’hui à l’Université d’Austin, annoncent une surprenant hypothèse, qui sera à l’origine de la prédiction du boson de Higgs. Pour la comprendre, il faut rappeler que quatre interactions expliquent aujourd’hui tous les phénomènes : à notre échelle, la gravitation et l’électromagnétisme rendent compte de la chute des corps, des phases de la Lune, de l’électricité, du magnétisme et de la lumière. A l’échelle du noyau, l’interaction « faible » explique certaines désintégrations, tandis que la « forte » assure la cohésion des nucléons au sein du noyau. Or, d’après les trois co-lauréats du prix Nobel de Physique de 1979, l’électromagnétisme et l’interaction « faible » seraient les deux facettes d’une même interaction ; d’ailleurs, prédisent-ils, lorsque l’Univers était bien plus chaud et dense qu’aujourd’hui, à des énergies dépassant 100 GeV, elles ne formaient qu’une seule et même interaction « électrofaible ». Puis, au fur et à mesure que l’Univers s’est refroidi et que sa température a baissé, elles se sont découplées. Cette belle théorie pose toutefois un problème insoluble : pourquoi la force électromagnétique aurait-elle des messagers sans masse (les photons) alors que les messagers de l’interaction faible sont massifs ?

C’est là que le Britannique Peter Higgs entre en scène, en 1965 : avec d’autres collaborateurs, le physicien émet l’hypothèse de l’existence d’une nouvelle particule responsable de cette différence de masse, le fameux « boson de Higgs ». Mais à quelles énergies faut-il chercher cette particule, considérée dès alors comme la clé de voûte de tout le modèle standard puisqu’elle explique la différence de masse entre les particules ? La théorie n’apportant pas de réponse sur ce point, commence une longue quête où toutes les énergies disponibles au Cern ou au Fermilab (de 10 GeV à 110 GeV) sont systématiquement explorées… et écartées. Pour l’obtenir, il allait falloir une nouvelle machine capable de monter en énergie : le LHC du Cern, dont la lente construction s’acheva en 2009. Venues du monde entier, 5 500 personnes ont alors traqué la particule au sein des expériences Atlas et CMS, une chasse ponctuée de fausses joies et de vrais espoirs, comme celui survenu fin 2011 lorsque des signaux ont été repérés autour de 125 GeV. Mais l’effort fut payant : en juillet 2012, une « particule compatible avec le boson de Higgs » est bien là !



[*]  En 1998, une masse très faible a été trouvée au neutrino.

Notre actu

25 novembre 2020

DIPLÔMES DU BAC 2020

Lire la suite {+}

31 août 2020

INFORMATIONS SANITAIRES

Lire la suite {+}

14 novembre 2018

Novembre 2018 : petite révolution dans la mesure

Lire la suite {+}

plus d'actus