Qui a vu le boson de Higgs ?

Simulation de la désintégration d’un boson. Photo de Lucas Taylor – CERN

Ne le cherchez pas derrière la porte ou sous la semelle de vos chaussures, car le boson de Higgs ne se laisse pas facilement attraper ! Il aura fallu pas moins de 48 ans et un collisionneur de particules de 27 kms de circonférence pour en découvrir un… pas 10 000, 1000 ou 100, mais un seul boson ! Mais qui est-il et pourquoi lui accorde-t-on tant d’importance ?

Que la force soit avec… les particules !

Souvenez-vous, lorsque vous étiez petit, très petit, vers 1940-50, les scientifiques affirmaient que tous les phénomènes physiques connus étaient le fruit de l’action de 4 forces fondamentales : la force électromagnétique, la force de gravité,  la force nucléaire « forte » (responsable de la cohésion des noyaux atomiques) et la force nucléaire « faible » (intervenant dans les processus de fission nucléaire).

Mais voilà que nos physiciens voulurent « unifier » les forces électromagnétique et nucléaire « faible » en une seule théorie pour faire plus simple (enfin ça dépend pour qui… !) qu’ils appelèrent la théorie électrofaible.

Des particules comme s’il en pleuvait !

Pour mieux comprendre la difficulté de l’unification de ces deux forces en une seule théorie, rappelons que nous considérons aujourd’hui qu’il existe 17 particules élémentaires réparties en deux familles : les fermions et les bosons.

Les fermions constituent la matière en tant que telle (électrons, quarks par exemple).

Les bosons sont les médiateurs des forces, c’est-à-dire qu’ils sont le « support » des forces qui s’exercent entre les particules.

Allez ! Ne faites pas semblant ! Vous êtes perdu !… Et bien moi aussi…

Boson le clown ne fait pas rire les théoriciens !

Chacune des 4 forces fondamentales possède ses propres bosons. Ceux de la force électromagnétique sont donc différents de ceux de la force nucléaire « faible ». Mais lors des calculs pour unifier ces forces dans une même théorie, les mathématiciens se trouvèrent face à la nécessité d’avoir des bosons de masse nulle pour les deux forces, alors que ceux de la force nucléaire faible en ont une !

Patatras !… mais cela ne les fait pas rire ! Obstinés, les voici cherchant un « mécanisme » qui permettrait de contourner le problème.

Il y a un « hic » ? Non ! Il y a un « Higgs » !

En 1964, six théoriciens (Peter Higgs, François Englert, Robert Brout, Gerald Guralnik, Carl Richard Hagen et Thomas Kibble) proposent à peu près au même moment un « mécanisme » qui permettra de contourner le problème en introduisant un « champ » qui dans certaines conditions va freiner les bosons de masse nulle permettant au boson de la force nucléaire faible d’acquérir de la masse… un peu plus tard. En effet, ils font l’hypothèse que ces deux forces étaient unifiées lors du Big bang (très haute température et bosons de masse nulle) pour se différencier lors du refroidissement de l’univers, un effet de champ donnant une masse au boson de force nucléaire faible. C’est le champ de Higgs (du nom d’un des 6 théoriciens).

En mécanique quantique, il existe toujours une dualité onde/corpuscule. Au champ de Higgs, il faut donc associer une particule que l’on appellera le boson de Higgs. Et si la théorie du champ est vrai, alors on doit pouvoir observer ce boson !

Et la boucle est bouclée !

Le 4 juillet 2012, le CERN de Genève annonce avoir découvert lors d’une collision dans le LHC (Large Hadron Collider ou grand collisionneur de hadrons), le plus grand accélérateur de particules du monde, boucle de 27 kms de circonférence, un boson ressemblant à celui défini par Higgs et ses acolytes. En mars 2013, après de longs calculs et travaux de vérification, la découverte est confirmée !

Ainsi, les travaux théoriques de Higgs, Englert, Brout, Guralnik, Hagen et Kibble effectués dans les années 1960 ont complété la théorie du « Modèle standard », loi fondamentale de la physique qui décrit les 17 particules et les 3 forces qui les unissent pour former la matière.