Higgs, le boson qui rend l’Univers lourd.
4 juillet 2012 : le grand amphithéâtre de l’Organisation Européenne pour la Recherche Nucléaire (CERN) à Genève est plein à craquer et pour cause : les porte-parole des expériences ATLAS et CMS déclaraient avoir observé une nouvelle particule qui pourrait s’avérer être le boson de Higgs. La nouvelle de la découverte de cette « particule de Dieu » [1] a fait grand bruit et, malgré son enjeu purement fondamental, a été largement relayée dans la presse avant de s’estomper peu à peu.Plus récemment, la plus médiatique des particules élémentaires fait à nouveau parler d’elle : le CERN a annoncé il y a quelques jours, lors des Rencontres du Moriond en Italie, avoir accumulé suffisamment de données expérimentales pour affirmer avec une certitude croissante que la particule découverte l’été dernier est bel et bien le boson de Higgs prédit par la théorie [2]. Si les nombreuses précautions prises par le CERN et la lenteur du processus de validation du résultat peuvent surprendre, elles s’expliquent parfaitement par la difficulté de l’exercice et la durée inégalée pendant laquelle le boson de Higgs a tenu la communauté scientifique en haleine.
Un boson pour les amener tous et dans les ténèbres les lier.
En cherchant à comprendre le fonctionnement fondamental de l’Univers, les physiciens se sont rapidement intéressés aux échelles les plus microscopiques, dans l’espoir de trouver une unité et des points communs à des objets d’apparences radicalement différentes. On trouve cette intuition dès le quatrième siècle av. J.-C. dans la pensée de Démocrite, puis trois siècles plus tard dans le De natura rerum de Lucrèce : « Les corps, ce sont d’une part les [éléments] simples des choses, les atomes, et d’autre part les composés formés par ces éléments premiers ». Au cours du XXe siècle, après avoir mis en évidence l’existence des atomes pressentis par les antiques, les physiciens ont découvert que ces particules étaient loin d’être les plus élémentaires. L’expérience de Rutherford montre en 1911 que les atomes sont des objets composés de deux parties : un nuage dilué d’électrons et un noyau extrêmement petit et compact. Le noyau s’avère à son tour composé de protons et de neutrons (Chadwick, Irène et Frédéric Joliot-Curie, 1932), lui-même constitué de deux types de particules appelées « quarks » (Gell-Mann, 1964). Toute la matière qui nous entoure au quotidien n’est donc, en réalité, qu’un assemblage de quarks « up » chargés positivement, de quarks « down » chargés négativement et d’électrons. Les physiciens ont également mis en évidence 9 autres particules analogues aux premières, elles aussi susceptibles de former de la matière ; l’ensemble de ces particules est regroupé sous le nom de fermions, en hommage à Enrico Fermi (figure 1).
Figure 1 & 2 : Les particules élémentaires du Modèle Standard et leurs interactions (cliquez pour agrandir). Le site Particle Zoo propose des peluches de toutes les particules (gauche) !
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La découverte des particules de matière n’est qu’une première étape dans la compréhension du monde qui nous entoure ; il faut également comprendre comment cette matière interagit avec le reste de l’Univers, c’est-à-dire décrire son comportement vis-à-vis des 4 interactions fondamentales (figure 2).
Pour décrire ces interactions, les physiciens utilisent une théorie appelée Modèle Standard de la physique des particules et élaborée à partir des années 1930 par le Japonnais Yukawa. Reposant sur la théorie quantique, le modèle standard n’a eu de cesse de se perfectionner depuis son invention et il est aujourd’hui en mesure de décrire avec une précision inégalée les interactions fortes, faibles et électromagnétiques. Sa force vient sans doute de son élégance : il parvient en effet à faire émerger des résultats importants d’hypothèses extrêmement élémentaires, ce qui lui confère une grande crédibilité. Cependant, il n’arrive absolument pas à décrire la gravitation, qui reste à l’heure actuelle un mystère parfaitement insoluble pour la physique des particules [3].
Dans le cadre de ce modèle, les interactions sont elles-mêmes décrites par des particules : plutôt que de dire que deux particules chargées s’attirent ou se repoussent à distance sous l’effet de la force électromagnétique, on dira qu’elles échangent une particule d’interaction électromagnétique, un photon. De manière analogue, l’interaction faible peut être décrite par l’échange de trois types de particules (le Z0, le W+ et le W-) et l’interaction forte par l’échange de huit types de particules (les gluons). L’ensemble de ces particules porteuses des interactions est appelé « bosons » en hommage au physicien indien Jagadish Chandra Bose et chacune d’entre elles a ses propres caractéristiques (masse, charge électrique, saveur, couleur…) qui déterminent les propriétés de chaque interaction.
Cependant, cette version minimale du modèle standard composée de 12 fermions et de 12 bosons présente un défaut majeur : pour respecter les hypothèses du modèle, les bosons devraient nécessairement être sans masse, ce qui impliquerait que les interactions qu’ils portent seraient de portées infinies. Or on observe expérimentalement que les interactions fortes et faibles disparaissent complètement après quelques milliardièmes de milliardièmes de millimètres. Pour rendre le modèle standard compatible avec des bosons massifs, six physiciens (François Englert, Robert Brout, Peter Higgs, Gerald Guralnik, C.R. Hagen, Thomas Kibble) ont proposé en 1964 une idée originale : et si le vide n’était pas vraiment vide, mais occupé « quelque chose », auquel on donne aujourd’hui le nom de champ de Higgs ? Le vide n’est autre que la configuration de plus basse énergie ; il suffirait donc qu’il coûte moins d’énergie à l’Univers d’être rempli du champ de Higgs que de ne pas l’être (figure 3) !
Figure 3 : Illustration du potentiel de Higgs, dit « potentiel de chapeau mexicain » : l’état de plus basse énergie (où la bille sera à l’équilibre) n’est pas donné par l’absence de champ (point de coordonnées (0,0), au centre) mais par la présence d’un champ non nul (dans le creux du chapeau).
Les particules du modèle standard, et en particulier les bosons, sont susceptibles d’interagir avec ce champ de Higgs ; plus elles interagissent fortement, plus elles ont une masse importante. Pour décrire les interactions des particules avec ce champ, comme pour décrire toutes les autres interactions, on introduit dans le modèle un nouveau boson : le boson de Higgs. Suivant une analogie proposée par John Ellis, les particules dans le champ de Higgs se comportent comme des voyageurs dans un champ de neige : ceux qui marchent à pied s’enfoncent dans la poudreuse (ils interagissent fortement avec la neige comme une particule avec le Higgs) et peinent à avancer (comme s’ils étaient plus lourds) tandis qu’un skieur, en s’enfonçant à peine (moins d’interactions) glisse sans être ralenti (comme s’il était plus léger). De plus, tout comme le champ de neige est constitué d’une multitude de flocons, le champ de Higgs est composé d’une multitude de bosons. Une autre analogie est proposée en image ici [4].
Cette masse conférée par le boson de Higgs est purement inertielle et ne rend absolument pas compte de la gravitation [5] ; autrement dit, elle explique pourquoi il est plus facile d’arrêter un tricycle qu’un camion roulant à la même vitesse mais n’explique pas pourquoi un camion, comme un tricycle, tombe si on le lâche du haut d’une falaise.
Conséquence directe de la proposition de Higgs et ses collègues, le boson de Higgs apparaît donc comme la clé de voûte de toute la théorie : son observation pourrait valider l’ensemble du modèle standard et son absence condamnerait 80 ans d’interprétation de la physique des particules. La quête du boson de Higgs, entamée activement dès la fin des années 1970, a donc toutes les raisons de représenter un Graal pour la communauté scientifique.
Le seigneur des anneaux.
La chasse aux particules est un sport exigeant : comment générer artificiellement une particule fondamentale ? Comment la « voir » ou l’enregistrer ? Comment s’assurer qu’il s’agit bien du boson de Higgs et non d’une autre particule ? Pour faire face à ces questions, les physiciens sont armés d’accélérateurs de particules : paradoxalement, les outils qui permettent de voir les particules les plus petites sont parmi les plus gigantesques réalisations humaines ! Le champion actuel appartient au CERN et s’appelle Large Hadron Collider (LHC) [6]. C’est un accélérateur circulaire d’une trentaine de kilomètres de circonférence, enterré à une centaine de mètres de profondeur sous la frontière franco-suisse. Quatre expériences majeures sont réparties le long de l’anneau et deux d’entre elles, CMS et ATLAS, scrutent particulièrement le boson de Higgs.
Figure 4 (à gauche) : la collision entre deux protons libère une énergie qui donne naissance à des particules. Ces particules partent dans tous les sens, se désintègrent pour certaines et finissent par atteindre le détecteur représenté par le cercle blanc (cliquez pour agrandir).
Figure 5 (à droite) : résultats expérimentaux obtenus par le détecteur CMS lors d’une collision. La collision a eu lieu au centre de l’image, chaque trace jaune correspond au passage d’une particule.
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Une première étape indispensable est de parvenir à créer la particule qu’on veut pouvoir observer. Pour générer des particules, les chercheurs exploitent la célèbre relation E=mc² d’Einstein : l’énergie (E) et la masse (m) peuvent être changés l’un en l’autre au prix d’un facteur de conversion (c²) [7] ; une énergie E peut donc donner naissance à une particule de masse m=E/c². Ainsi, plus on dispose d’énergie, plus on peut créer des particules massives [8]. Dans la pratique, cette énergie provient le plus souvent de la collision entre deux particules cibles, accélérées jusqu’à 99.99999 % de la vitesse de la lumière et fracassées l’une contre l’autre ; la puissance libérée lors du choc engendre d’elle-même des centaines de particules (figure 4 et 5) qui partent dans toutes les directions. Cette méthode, si elle est très efficace, fait souvent passer les physiciens des particules pour des bourrins pathologiques (figure 6).
Malheureusement, la nature des particules créées n’est pas fixée de manière certaine : la même collision peut donner naissance à 3 électrons, 1 boson W-, 3 quarks up et 3 quarks charme ou 2 quark top, 1 quark down, 5 quarks up et 4 muons. On ne peut prévoir que la probabilité d’obtenir un certain type de particules lors d’une collision, probabilité prédite par le modèle standard. Dans le cas du Higgs, cette probabilité est d’environ un sur 10 milliards et il faut donc un nombre colossal de tentatives pour espérer en produire un seul.
Figure 6 : la difficile reconversion des physiciens des particules, dont les méthodes expérimentales sont particulièrement inadaptées au reste du monde.
Créer un boson de Higgs est donc déjà un exploit en soi, mais cette condition nécessaire est loin d’être suffisante : il faut encore réussir à l’observer. On place donc tout autour du point de collision un gigantesque détecteur pour tenter de capter et d’identifier les particules produites (figure 7). Cependant, la plupart des particules créées lors de la collision sont instables et se désintègrent spontanément en quelques nanosecondes ; c’est en particulier le cas du boson de Higgs, dont la durée de vie ne dépasse pas un milliardième de milliardième de seconde. On ne peut donc jamais voir directement le boson de Higgs, mais uniquement les particules issues de sa destruction, ce qui constitue un problème majeur pour son observation : si on détecte 4 électrons à la fin d’un événement, comment savoir si ces 4 électrons proviennent de la désintégration d’un Higgs ou d’un autre processus complètement indépendant ?
Figure 7 : le détecteur CMS vu de face (à gauche) et en tranche (à droite). Les 5 types de particules représentés réagissent différemment avec les différentes parties du détecteur. L’analyse des traces laissées par une particule permet de déterminer son type.
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Il n’existe aucune façon d’être absolument certain de l’origine des produits de désintégration et une analyse statistique se révèle indispensable : si les 4 électrons proviennent d’un boson de Higgs, ils sont nécessairement corrélés (la somme de leurs énergies vaut l’énergie de la particule qui leur a donné naissance, par exemple) tandis que s’ils proviennent de processus indépendants, ils n’auront aucun lien entre eux (la somme de leurs énergies n’a aucune raison de valoir une certaine valeur plutôt qu’une autre).
C’est sur cette corrélation que repose la preuve de l’existence du boson de Higgs : sur un grand nombre d’événements, si on observe souvent 4 électrons dont l’énergie totale est toujours la même et correspond à la masse prédite pour le Higgs, on peut raisonnablement croire que le Higgs existe bel et bien ; à l’inverse, si leurs énergies sont toujours décorrélées, on est contraint d’abandonner l’hypothèse du Higgs. Par analogie, on peut imaginer lancer un très grand nombre de dés sans savoir si certains d’entre eux sont pipés. Tous les dés pipés donnent la même valeur (comme les produits de désintégration du Higgs) tandis que tous les autres dés donnent une valeur au hasard (les autres particules) ; si un chiffre sort beaucoup plus souvent que les autres, on saura que certains dés sont effectivement pipés tandis que si les résultats sont équilibrés, on saura qu’aucun dé pipé n’a été lancé. Trouver le Higgs revient alors à deviner si, parmi plusieurs milliards de dés, quatre dés pipés ont été introduits.
Ce filtre statistique explique pourquoi les chercheurs ne peuvent jamais affirmer l’existence d’une particule avec une certitude totale, tout comme un lancer de dés ne permet jamais de savoir de manière certaine si un dé est pipé. Tout au plus pouvons-nous estimer les chances d’arriver à la mauvaise conclusion : dans le cadre de la physique des particules, les chercheurs attendent d’avoir moins d’une chance sur 3 millions de se tromper avant de crier à la découverte. Cette limite appelée « barre des 5 sigma » a été atteinte par le CERN le 4 juillet 2012, qui a mis en évidence l’existence d’un boson doté d’une énergie de 125GeV [9] et jusqu’alors inconnu.
À la fin, il ne pourra en rester qu’un.
La découverte de ce nouveau boson est loin de conclure l’aventure : depuis 1964, plusieurs modèles alternatifs à la proposition de Higgs et concurrents du modèle standard ont été développés. Chacun d’entre eux prédit l’existence d’un ou de plusieurs bosons de Higgs, doté de différentes propriétés. Le CERN doit donc mener une analyse encore plus fine de sa nouvelle particule pour déterminer quels sont les modèles compatibles avec les observations expérimentales. Une des questions les plus critiques est celle du spin de la particule, une de ces propriétés intrinsèques au même titre que sa charge électrique (nulle) ou que sa masse (125 GeV). Le modèle standard prédit un boson de spin nul ; si cette prédiction est vérifiée, le modèle standard sera fortement validé au point de devenir quasiment indéboulonnable. A l’inverse, d’autres théories qui envisagent un boson de spin 2 pourraient faire l’objet d’un nouveau consensus si l’expérience leur donnait raison. L’annonce des Rencontres du Moriond, à défaut d’être définitive, va largement dans le sens de la première hypothèse.
Dans tous les cas, le jeu sera loin d’être terminé car d’innombrables questions restent ouvertes : en particulier, malgré toute sa complexité, le modèle standard parvient uniquement à décrire les 4 % de notre Univers formés de la matière ordinaire, le reste étant composé pour 21 % de matière noire de composition inconnue (mais incompatible avec l’ensemble des particules connues) et pour 75% d’énergie noire d’origine tout aussi obscure. Par ailleurs, d’autres pistes envisagent de chercher le boson de Higgs ailleurs que dans des accélérateurs et de mettre ainsi à l’épreuve l’ensemble de la physique des particules [10]. Malgré son triomphe actuel, le modèle standard sait donc ses jours comptés.
Notes :
[2] On doit cette appellation malheureuse au prix Nobel de Physique Léon Lederman qui publie en 1993 un livre sur le boson de Higgs intitulé The God particle : if the Universe is the Answer, What is the Question?. Dans la préface de l’œuvre, Lederman explique avec humour que son éditeur aurait refusé d’appeler le livre « Goddamn particule » (« satanée particule »). Par ailleurs, il s’amuse à tisser un parallèle entre la tour de Babel racontée dans la genèse et l’aventure de la physique des particules : à l’inverse de l’aventure de Babel, qui a transformé l’unique langage humain en une multitude de dialectes inintelligibles, les accélérateurs de particules tentent de faire émerger de la multiplicité des lois physiques une équation maîtresse dans laquelle tout serait à nouveau unifié.
[3] L’incapacité de la physique des particules à décrire la gravitation vient d’une différence fondamentale entre la physique quantique (sur laquelle repose la physique des particules) et la relativité générale (sur laquelle repose la gravitation) : la première est probabiliste et décrit un monde en perpétuelle mutation alors que la seconde est déterministe et considère l’espace-temps comme parfaitement lisse. L’antagonisme entre ces deux approches rend impossible l’unification des deux théories à l’heure actuelle.
[4] la chasse au bison de Higgs, proposée par le CERN : http://www.lhc-france.fr/l-aventure-humaine/la-bd-du-lhc/archives-la-bd-du-lhc/septembre-2011-chasse-au-bison-de
[5] Il faut distinguer ici le rôle du boson de Higgs (qui donne leur masse aux particules) de celui de la gravitation (qui fait s’attirer deux particules massives), qui pourrait être portée par une particule encore hypothétique appelée graviton.
[6] Le LHC accélèrent deux types de particules : des protons et des noyaux de plomb. Ces deux particules entrent dans la catégorie des Hadrons (particules composés par des triplets de quarks).
Le CERN propose une brochure très complète et très pédagogique pour expliquer ses travaux : http://cds.cern.ch/record/1164451/files/CERN-Brochure-2009-003-Fre.pdf
[7] De manière analogue, on pourrait écrire « € = 1.3 $ » qui la possibilité de convertir des euros (€) en dollars ($) au prix d’un facteur de conversion (1.3).
[8] Compte tenu de la très faible masse des particules (les plus lourdes pèsent quelques 0.000 000 000 000 000 000 000 000 001 kilogramme), il suffit que les particules cibles aient une faible énergie, à peu près celle d’un moustique en vol ; toute la difficulté vient de la nécessité de communiquer cette énergie à un objet aussi petit qu’une particule.
[9] 125 GeV = 20 milliardièmes de Joule
La formule du jour : Le Lagrangien du Modèle Standard
L’ensemble des particules du modèle standard, fermions (particules de matières) comme bosons (particules d’interactions), ainsi que leurs interactions les unes avec les autres sont entièrement contenues dans une formule : le Lagrangien du Modèle Standard. Un lagrangien est une quantité physique caractéristique d’un système, comme son énergie ; si on connaît le lagrangien d’un système, alors on sait déterminer par le calcul l’ensemble de son comportement. Toute la force du modèle standard est de proposer un lagrangien pour décrire l’ensemble des particules et de construire ce lagrangien à partir d’hypothèses extrêmement épurées. Dans la pratique, ce lagrangien s’écrit :
où la première ligne décrit comment se comporte l’ensemble des bosons (sauf le Higgs), la seconde décrit à la fois les fermions et leurs interactions avec les bosons, la troisième explique le couplage des bosons et des fermions au champ de Higgs et la dernière donne le potentiel de Higgs expliqué à la figure 3.
Bien que hautement ésotérique (encore que la version entièrement développée soit bien pire [11]), cette formule presque magique connaît un engouement sans précédent : avec quelques symboles mathématiques, les physiciens parviennent à décrire l’ensemble de la matière qui nous entoure ! Cette élégance explique peut-être l’ensemble des produits dérivés qu’on peut trouver sur internet, seules applications directes du modèle standard connues à ce jour.
Figure 7 : la boson mania atteint en premier lieu les physiciens, dont le chercheur John Ellis (à droite).
Daniel Suchet