Le CERN et le boson de Higgs boson

Octobre 2013

Qu'est-ce que le mécanisme de Brout-Englert-Higgs ?

Le mécanisme de Brout-Englert-Higgs (ou mécanisme BEH) décrit la façon dont les particules fondamentales acquièrent leur masse. Selon cette théorie, développée de façon indépendante en 1964 par Robert Brout et François Englert, en Belgique, et par Peter Higgs, au Royaume-Uni, les particules fondamentales acquièrent une masse en interagissant avec un « champ » présent dans tout l’Univers. Plus ces particules interagissent fortement avec le champ, plus elles sont massives.

Par contre, les particules qui n’interagissent pas avec ce champ n’ont pas de masse ; c’est le cas, par exemple, du photon. Ce mécanisme est à la base du Modèle standard, théorie qui décrit les particules élémentaires et les forces qui agissent sur elles. Ultérieurement, la même année, Gerald Guralnik et Carl Hagen (États-Unis), avec leur collègue Tom Kibble (Royaume-Uni), ont contribué au développement de cette nouvelle idée.

 

Qu’est-ce que le boson de Higgs ?

Le boson de Higgs est la particule quantique associée au champ de Higgs. Dans la mesure où le champ ne peut pas être observé directement, des expériences ont recherché la particule dont la découverte prouverait l’existence du champ et confirmerait la théorie. Le 4 juillet 2012, les collaborations ATLAS et CMS ont annoncé l’observation d'une particule aux caractéristiques compatibles avec celles du boson de Higgs tant attendu. Les analyses réalisées depuis lors par les deux collaborations ont confirmé que la particule découverte a les caractéristiques du boson décrit par la théorie.

 

Pourquoi est-ce si important ?

Au début des années 1970, les physiciens ont compris qu'il y avait des liens très étroits entre deux des quatre forces fondamentales, la force faible et la force électromagnétique. Ces deux forces peuvent être décrites dans le cadre d’une théorie unifiée, qui constitue la base du Modèle standard. Les équations fondamentales de la théorie unifiée décrivent de façon correcte les deux forces sous la forme d’une force électrofaible et de ses particules porteuses de force associées, à savoir le photon et les bosons W et Z. Sauf que toutes ces particules se retrouvent sans masse. Or si le photon a effectivement une masse nulle, nous savons que les particules W et Z ont une masse importante, équivalente à près de 100 fois celle d'un proton. Le mécanisme de Brout-Englert-Higgs résout ce problème en donnant une masse aux bosons W et Z. Il attribue également, dans le cadre du Modèle standard, une masse aux autres particules fondamentales comme les électrons et les quarks.

 

Le mécanisme de Higgs est-il responsable de la masse telle que nous la connaissons tous ?

Le champ de Higgs ne donne leur masse qu'aux particules élémentaires telles que les électrons et les quarks. Les quarks forment les protons et les neutrons à l'intérieur du noyau atomique. La plus grande part de la masse de la matière qui nous entoure (et qui nous compose) vient de ces protons et neutrons composites. Les quarks qu'ils contiennent ne représentent qu'une partie minuscule de leur masse, qui provient essentiellement de la force nucléaire forte qui lie les quarks entre eux. Cependant, sans le champ de Higgs, l’Univers ne serait pas tel que nous le connaissons. Les particules élémentaires, telles que les électrons, se déplaceraient à la vitesse de la lumière, comme le font les photons. Ces particules ne pourraient pas s’organiser en structures plus complexes telles que les atomes et les molécules, et nous n’existerions pas.

 

Depuis combien de temps le CERN recherche-t-il le boson de Higgs ?

La recherche du boson de Higgs au CERN a réellement commencé à la fin des années 1980, au LEP (Grand collisionneur électron-positon), qui occupait le tunnel qui héberge actuellement le LHC (Grand collisionneur de hadrons). Au cours des années 1990, les expériences menées auprès du collisionneur Tevatron du Fermilab, aux États-Unis, avaient également pour but la recherche du boson de Higgs. La grande difficulté initialement était que la théorie ne prédisait pas la masse de la particule, qui pouvait donc se trouver en un point quelconque d’une vaste gamme de masses. Le LEP a été arrêté en 2000 pour céder la place au LHC et les expériences LHC ont repris cette recherche en 2010.

 

Est-ce la fin de la quête ?

La découverte du boson de Higgs ne met pas un terme aux recherches ; les physiciens doivent étudier cette particule en détail afin de pouvoir mesurer ses propriétés. En outre, de nombreuses questions sont restées sans réponse. Par exemple, quelle est la nature de la matière noire, qui forme une grande partie de l’Univers ? Ou bien, pourquoi y a-t-il bien plus de matière que d'antimatière dans l'Univers, alors que matière et antimatière ont été produites en quantité égale au début de l'Univers ? Et bien d’autres encore…

 

Y a-t-il déjà eu des prix Nobel attribués pour des travaux effectués au CERN ?

Carlo Rubbia et Simon van der Meer ont reçu le prix Nobel de physique en 1984 pour « leurs contributions décisives au grand projet qui a conduit à la découverte des particules de champ W et Z, véhicules de l'interaction faible ».

Georges Charpak a reçu le prix Nobel de physique en 1992 pour « l'invention et la mise au point de détecteurs de particules, en particulier la chambre proportionnelle multifils ». Les détecteurs de particules élaborés par Charpak ont révolutionné la physique expérimentale des particules en augmentant considérablement le volume de données susceptibles d’être enregistrées par les détecteurs.

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