DE LA PHYSIQUE : le boson de Higgs

     Depuis quelques semaines, la presse, généraliste et spécialisée, bruisse autour d’une étrange appellation : le boson de Higgs. Cette particule, découverte au CERN (Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire) le 4 juillet 2012 (avec 99,9% de certitude !) était le chaînon manquant du « modèle standard » expliquant la physique des particules : nous aurons l’occasion d’y revenir. Auparavant il convient de « tordre le cou » à une fausse dénomination. En effet, de temps à autre et certainement pour la recherche de sensations extrêmes, on trouve dans la presse la terminologie : « le boson de Higgs ou la particule de Dieu ». Il s’agit là d’un contresens et d’une stupidité. La réalité est la suivante : le prix Nobel de physique (1988), Léon Lederman, qui s’impatientait de ne pas pouvoir trouver cette particule insaisissable voulait l’appeler dans un livre « the Goddamn particle » ce qui veut dire la « satanée » ou la « fichue » particule. Son éditeur, de peur que le titre soit considéré comme grossier ou injurieux, décida de supprimer la deuxième syllabe (damn) de l’adjectif qui devint dès lors… God. D’où l’erreur colportée ensuite par un ensemble d’ignorants. Non, le boson de Higgs n’est pas la particule de Dieu mais c’est quoi, au juste ?

Les constituants de la matière

     Tout d’abord un peu d’histoire (récente) : c’est à Becquerel en 1896 que l’on doit la découverte de la radioactivité naturelle à partir de sels d’uranium. Deux ans plus tard, Pierre et Marie Curie identifient un nouvel élément radioactif, le radium, mais c’est à Rutherford que revient le mérite de démontrer que ces atomes radioactifs émettent des rayonnements dont on sut ensuite que les béta correspondaient à des électrons et les alpha à des noyaux d’hélium. C’est donc à partir de ce moment que l’on sut de façon définitive qu’il y avait effectivement plus petit que l’atome des Grecs anciens.

     Reprenons autrement. Dans le monde de l’infiniment petit, on a longtemps pensé que les atomes (qui, en s’assemblant, forment des molécules) étaient la plus petite partie possible de la matière. En fait les atomes sont composés d’un noyau plus ou moins gros (façon de parler) dans la proximité duquel interagissent avec lui des électrons (de charge négative), l’ensemble formant théoriquement un ensemble stable. Allons encore plus avant : le noyau d’un atome est formé de protons (charge positive) et de neutrons (neutres). Si l’électron est insécable, ce n’est pas le cas des neutrons et des protons qu’on peut dissocier en particules encore plus petites, les quarks (voir le sujet : les constituants de la matière).

    Dans la physique subatomique ou physique quantique, on s’intéresse avant tout aux interactions entre ces différentes particules dites élémentaires.  On cherche évidemment à savoir quelles sont les particules en jeu mais également comment elles se lient les unes aux autres car qui dit liaison (ou attraction) dit matière et donc d’autres particules comme agents de liaison ; en effet, dans le monde de la physique, il n’y a aucune place pour l’immatériel : tout est matière et rien que matière… On subdivise donc toutes ces particules en deux groupes : les fermions et les bosons. Les fermions sont nos particules élémentaires comme les quarks ou les électrons (et donc la matière proprement dite). Mais pour que ces particules puissent interagir ou se lier les unes aux autres, il est indispensable d’introduire des particules de liaison, particules qu’on appelle des bosons. Du coup, à chaque fermion doit correspondre un boson qui lui est propre et qui lui permet de réagir avec les autres fermions.

Quatre forces dans l’Univers

     Quatre forces principales assurent l’équilibre de l’Univers et les rapports entre ses différents constituants :

* le magnétisme et l’électricité qui donnent l’électromagnétisme,

* l’interaction faible qui permet la désintégration radioactive,

* l’interaction forte qui permet la cohésion entre les quarks et donc la solidité des noyaux des atomes et

* l’interaction gravitationnelle qui explique la chute des corps et leurs interactions (la marche des planètes ou… la pomme de Newton, par exemple). J’ai déjà eu à maintes reprises l’occasion de préciser qu’il n’était pas encore possible de faire coïncider la relativité générale qui explique la gravitation et donc l’Univers visible avec la mécanique quantique qui s’intéresse aux trois autres forces, celles de l’infiniment petit.

     Intéressons-nous uniquement aujourd’hui à ces trois forces-là que les scientifiques ont regroupées dans ce que l’on appelle le modèle standard.

     Dans les années 60, les physiciens sont arrivés à unifier deux de ces trois forces : l’électromagnétisme et l’interaction faible (d’où d’ailleurs l’appellation de théorie électrofaible) mais quelles en sont les particules intervenantes ? Pour la force électromagnétique, aucun problème : ce sont les photons (les particules de lumière) dont on sait qu’ils n’ont pas de masse. En revanche, pour l’interaction faible (la désintégration atomique), les bosons en cause (vous vous rappelez : les particules de liaison), appelés ici W et Z, doivent être terriblement massifs (ce sont les équations qui le disent)… ce qui n’est pas compatible avec la théorie électrofaible ! Gros problème. Du coup, il y a une cinquantaine d’années, Peter Higgs (et deux scientifiques belges, Robert Brou et François Englert) avancent une hypothèse : et s’il existait un autre boson qui donnerait leur masse aux bosons W et Z ? Une autre particule de type boson qui, par sa présence, expliquerait la masse importante (et contraire à la théorie) des bosons W et Z de l’interaction faible ? C’est bien cela que veulent dire les vulgarisateurs scientifiques en avançant que cette nouvelle particule de liaison dite boson de Higgs donne « de la masse » aux autres particules.

     Oui, mais tout cela restait de la théorie… jusqu’à ce que l’on mette effectivement en évidence ce fameux boson de Higgs. Une recherche qui dura 50 ans.

Le boson de Higgs

     L’hypothèse avancée par Higgs (et les autres) est la suivante : immédiatement après le Big bang (voir le sujet : Big bang et origine de l'Univers), les particules n’avaient pas de masse. Mais l’Univers s’est rapidement refroidi et, à partir d’une certaine température, s’est créé un champ de force invisible dit « champ de Higgs » auquel est associé un boson spécifique (une particule de liaison) le boson de Higgs. Ce boson est universel, c'est-à-dire partout présent, et plus une particule interagit avec lui, plus elle a de masse. A l’inverse, des particules comme les photons ou les neutrinos (voir glossaire) qui n’ont pas de contact avec lui n’ont pas de masse. On retrouve ainsi une théorie cohérente et les équations redeviennent logiques. Il restait donc à le trouver, ce boson de Higgs, et ce d’autant que l’on ne connaissait pas sa masse à lui…

     Pour le mettre en évidence, il fallait construire une énorme structure, un accélérateur de particules dont le plus récent (et le plus puissant) est celui du CERN à la frontière franco-suisse. Cette machine, le LHC (Large Hadron Collider), entra en service en 2008, approximativement au moment où les Américains abandonnèrent leur propre projet (ce qui explique la diversité des personnels scientifiques autour du LHC). Quel en est le principe ? Il s’agit d’accélérer des faisceaux de protons tournant en sens contraire dans un étroit tunnel circulaire souterrain de 26,5 km de long. Lors de leur collision, ces protons dégagent une énergie de 7 000 GeV, c'est-à-dire une énergie correspondant au tout premier temps du Big bang. Que l’on se rassure toutefois, l’affaire – microscopique – ne dure que quelques millionièmes de seconde ! C’est justement ce délai très court qui est le problème : le boson de Higgs notamment est plutôt difficile à mettre en évidence en raison de sa durée de vie très brève…

     Après quelques ennuis de départ, le LHC démarra réellement début 2011 et, avant même qu’il ait atteint l’ensemble de ses possibilités, le 4 juillet 2012, après avoir colligé les millions de traces laissées par la création et la destruction des particules observées, les scientifiques ont pu conclure « à la très grande probabilité » (99,9%) de la découverte du boson de Higgs : vers la fin 2012, nous en aurons la confirmation définitive.

Quel est l’intérêt de cette découverte ?

     De mauvais esprits nous disent qu’avoir mis 7 milliards d’euros dans ce projet du CERN était insensé, l’argent ayant pu être mieux utilisé ailleurs (où ?). Je suis totalement en désaccord avec ces esprits rétrogrades. Pour peu que la découverte du boson de Higgs soit confirmée, ce sera important dans la validation du modèle standard des particules et, par voie de conséquence, dans notre compréhension de l’Univers qui nous entoure et de la matière qui le compose. Ce sera un pas important mais un pas seulement car il reste encore bien des données qui nous restent inconnues, au premier rang desquelles cette unification tant attendue entre physique quantique et relativité générale.

     Je rappelle également à ces détracteurs qu’il est impossible de savoir par avance à quoi nous conduit une théorisation en science fondamentale. La mécanique quantique, si difficile à comprendre, (voir le sujet : mécanique quantique) fut terriblement décriée à ses débuts au point que ses concepteurs passaient pour des incapables ou des farfelus. Pourtant, sans elle, pas de laser, ni de transistors ou encore d’énergie nucléaire…

     Avoir pu mettre un terme à une quête théorique de plusieurs dizaines d’années est un exploit et, d’une certaine façon, un moyen de reprendre espoir en la capacité de nos sociétés si malmenées ces temps-ci.

Sources

. Wikipedia France (fr.wikipedia.org)

. 1jour1actu.com

. www.agoravox.fr

. www.lalsace.fr

. public.web.cern.ch

Glossaire

* Neutrino : on s’est rapidement aperçu que, en physique nucléaire,  la désintégration béta des atomes ne semble pas respecter les lois immuables de la conservation d’énergie. Du coup, en 1933, le physicien Wolfgang Pauli propose l’existence d’une particule spéciale de charge électrique nulle qu’il appelle neutrino et qu’il intègre dans sa théorie de l’interaction faible. Le premier neutrino (il en existe trois sortes) est découvert en 1956 par Reines et Cowan (les deux autres en 1962 et 2000).

Images

 1. l'accélérateur de particules du CERN (sources : www2.cnrs.fr)

 2. structure de l'atome (sources : astro-canada.ca)

 3. Peter Higgs (sources : 72.29.68.249)

4. simulation de la formation d'un boson (sources : CMS in www.lefigaro.fr/) 

5. visualisation du circuit du LHC (sources : grindaizer.blogspot.com)

6. le LHD du CERN (sources : admiroutes.asso.fr)

(pour lire les légendes, passer le pointeur de la souris sur les images)

Mots-clés : CERN - Léon Lederman - radio-activité naturelle - électron - proton - neutron - quark - électromagnétisme - interaction faible - interaction forte - gravité universelle - relativité générale - mécanique quantique - Peter Higgs - LHC

 (les mots en gris revoient à des sites d'informations complémentaires)

Sujets apparentés sur le blog

1. théorie de la relativité générale

2. mécanique quantique

3. les constituants de la matière

4. Big Bang et origine de l'Univers

5. juste après le Big bang

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