Boson De Higgs

Le boson de Higgs est une particule élémentaire dont l'existence a été proposée en 1964 par Robert Brout et François Englert (et nommé « boson scalaire » par ceux-ci^[1]) ainsi que par Peter Higgs^[2] pour expliquer la brisure de l'interaction unifiée électrofaible en deux interactions par l'intermédiaire du mécanisme de Higgs. Il serait aussi le quantum du champ de Higgs.

Le boson de Higgs aurait donné une masse non nulle à certains bosons de jauge (bosons W et boson Z) de l'interaction électrofaible leur donnant des propriétés différentes de celles du boson de l'électromagnétisme, le photon.

L'expérience déterminante sera celle qui permettra de produire un champ de Higgs, ou son équivalent quantique, le boson de Higgs. Sa découverte sera une confirmation du modèle standard qui le prédit et dont la cohérence dépend de son existence. Le boson de Higgs n'apparaîtrait qu'à des énergies supérieures ou égales à 115 GeV et on a pensé un temps qu'il avait été mis en évidence au LEP en 2000. Cette observation a été peu convaincante : la signification statistique était trop faible. Néanmoins, si on le découvre, ceci permettrait de vérifier les concepts d'unification et de les étendre à un domaine d'énergie plus élevé. Actuellement la limite inférieure de la masse du boson de Higgs est de 114,4 GeV⋅c^-2 (à 95% C.L., c'est-à-dire 95% de l'intervalle de confiance). Au-dessous de cette valeur, il n'y a eu aucune découverte statistiquement valable.

Le LHC, qui remplace le LEP et est opérationnel depuis le 10 septembre 2008, fera de la recherche du boson de Higgs l'une de ses priorités : s'il existe, il devrait être possible de l'observer (à plus de 99 % C.L.) en moins de 5 ans, quelle que soit sa masse (jusqu'à environ 800 GeV⋅c^-2). Le LHC ou le Tevatron (collisionneur proton antiproton) pourraient découvrir un boson de Higgs qui satisfasse au modèle standard ou 5 bosons de Higgs (trois neutres et deux portant des charges électriques) selon la prédiction du modèle supersymétrique.

Une des voies possibles de formation d'un boson de Higgs neutre à partir de 2 quarks et l'échange de bosons électrofaibles

Le boson de Higgs et l'origine de la masse

Quel mécanisme, dans la théorie électrofaible, génère la masse des bosons W⁺, W^- et Z° ? Pourquoi le photon n'acquiert-il pas de masse ? Les masses des fermions sont-elles reliées à ce mécanisme ? Pourquoi les masses des quarks sont-elles si différentes les unes des autres ? Pour tenter de répondre à ces questions, on introduit la notion de symétrie, et de sa brisure, dans la théorie électrofaible. Les régularités dans le comportement des particules sont appelées symétries et elles sont étroitement reliées aux lois de conservation. La symétrie est aussi reliée au concept de l'invariance : si un changement effectué dans un système physique ne produit aucun effet observable, le système est dit invariant au changement, impliquant une symétrie (voir théorème de Noether).

L'unification électrofaible est fondée sur le concept que les forces sont générées par l'échange de bosons. Lorsqu'on dit qu'il existe une force entre deux fermions (spin 1/2), c'est aussi dire qu'ils sont en train d'échanger des bosons. Il faut maintenant comprendre comment les bosons transmetteurs des forces fondamentales acquièrent une masse. Dans le cas de l'unification électrofaible, comment les bosons W^± et Z° acquièrent-ils une masse alors que ce n'est pas le cas pour le photon ?

Les symétries de jauge requièrent que les transmetteurs de force (bosons de jauge) soient de masse nulle. Pour contourner le problème de la masse des bosons, Salam, Glashow et Weinberg ont dû inventer un mécanisme pour briser la symétrie de jauge permettant aux W^± et Z° d'acquérir une masse. De tels mécanismes avaient été développés dans d'autres contextes par divers théoriciens : Yoshiro Nambu, Jeffrey Goldstone, Sheldon Glashow, Peter Higgs et Phillip Anderson. L'idée est de postuler l'existence d'un nouveau champ, qu'on surnomme champ de Higgs.

Le champ de Higgs est différent des autres champs puisqu'à basse température (énergie), l'espace « préfère » être rempli de particules de Higgs que de ne pas l'être. Les bosons W^± et Z° interagissent avec ce champ (contrairement au photon), et avancent à travers l'espace comme s'ils se mouvaient dans une « mélasse » épaisse. De cette manière, ils acquièrent une masse effective. A haute température (énergie), les interactions dans le champ de Higgs sont telles que l'espace n'est plus rempli de cette mélasse Higgsienne, les W^± et Z° perdent leur masse et la symétrie entre les W^± , Z° et le photon n'est plus brisée, elle est restaurée. On dit qu'elle est manifeste.

Le champ de Higgs permet de préserver la symétrie à haute énergie et d'expliquer la brisure de la symétrie à basse énergie. Il est responsable de la masse des bosons électrofaibles, mais interagit aussi avec les fermions (quarks et leptons). Ils acquièrent ainsi une masse. Les plus légers sont les neutrinos (jusqu'à récemment, nous les croyions de masse nulle), vient ensuite l'électron avec une masse de 0,511 MeV⋅c^-2. Tout en haut de l'échelle vient le quark top, qui est de loin la particule élémentaire la plus lourde avec ses 175 GeV⋅c^-2.

Les particules (bosons, fermions) acquièrent une masse à cause du champ de Higgs, mais pourquoi chaque particule acquiert-elle une masse différente, ou n'acquiert-elle pas de masse du tout comme dans le cas du photon ? Pourquoi la force de l'affinité des particules avec le champ de Higgs, ce qu'on appelle le couplage, est-elle si différente d'une particule à l'autre, et donc comment expliquer cette hiérarchie des masses ? Aujourd'hui, on ne connait pas les réponses à ces questions.

Une compétition entre les accélérateurs collisionneurs

L'existence du Higgs est trop brève pour qu'on le détecte directement : on ne peut espérer observer que ses produits de désintégration, voire les produits de ses produits de désintégration^[3]. Des événements mettant en jeu des particules ordinaires peuvent imiter le signal produit par un boson de Higgs. Des études conduites au LEP permettent de conclure à une probabilité de 8 % pour que les événements observés s'expliquent sans faire intervenir le Higgs^[4]. Or pour affirmer une découverte en physique des particules, la probabilité d'erreur doit être inférieure à 0,00003 %.

Dans la compétition entre le LHC et le Tevatron, ce dernier a une longueur d'avance malgré son énergie maximale 7 fois plus faible : il est déjà en fonctionnement et le bruit de fond des collisions est moins grand, les antiparticules (antiquarks des antiprotons) pourraient engendrer des événements plus spécifiques, plus faciles à distinguer des collisions protons/ protons.

L'accélérateur idéal serait un collisionneur électron-positron formé de deux accélérateurs linéaires face-à-face de 500 à 1000 GeV. L'ILC (Internation Linear Collider) programmé pour 2015 environ permettrait de comprendre comment le boson de Higgs est à l'origine de sa propre masse.

Références

Voir aussi

• Champ de Higgs
• Théorie des supercordes.
• Accélérateur de particules.
• Large Hadron Collider -

Liens externes

• Boson de Higgs, dossier Futura-sciences.
• Les enjeux scientifiques du LHC
• Site du CERN
• Qu'est-ce que la masse? article de la revue Élémentaire
• Vous trouverez sur ce lien des explications plus poussées au sujet de la physique des particules qui pourraient, grâce au LHC, voir apparaître ce champ de Higgs qui expliquerait pourquoi les particules acquièrent une masse. [1] [2] Ces documents expliquent la base du modèle standard des particules qui convient très bien à ce jour pour expliquer la composition en particules élémentaires et les interactions qui les régissent.
• [pdf] (en) La recherche des bosons de Higgs (Particle Data Group)
• Pourquoi rechercher le boson de Higgs ?, Conférence à la Cité des sciences de Michel Davier

Bibliographie

• (fr) Brian Greene, La magie du Cosmos, traduit par Céline Laroche, Éditions Robert Laffront.
• Mathieu Grousson, Boson de Higgs, "La particule de Dieu" à portée de main, Science et Vie, pp 54-70, n° 1088, mai 2008

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