Les 40 ans de chasse au Boson de Higgs touchent à leur fin

le 12 juillet 2012 • Web

Il y a 48 ans, Peter Higgs décrivait sa théorie du boson (de Higgs), qui régirait les masses de chaque corps dans notre univers. D'après la dernière conférence du Centre Européen de la Recherche Nucléaire) ce mercredi 4 juillet 2012, sa théorie semble se vérifier.

Le CERN a mené une expérience qui aurait donné à "observer" une particule ayant les mêmes caractéristiques que celles prêtées au boson de Higgs. Après quarante ans de chasse à la particule, c'est un soulagement pour les scientifiques.

Qu'est-ce que le boson de Higgs ?

Le boson de Higgs est une particule élémentaire, c'est à dire un des principaux constituants de notre univers. C'est lui et tous ses copains qui créent l'effet de la masse : Je pèse 60Kg, mon ordinateur en pèse 2, un photon n'a pas de masse, etc. Tout cela résulte de l’interaction de tous ces corps avec le champ de Higgs. Pour comprendre, imaginons le champ de Higgs, notre univers, comme une Cocktail-Party, et les bosons de Higgs comme les nombreux invités présents. Les invités sont répartis uniformément dans l'espace.

Soudain, une célébrité rentre. Tous les invités se précipitent pour lui parler et le groupe ainsi formé a du mal à avancer, et progresse moins vite que si la célébrité avait été seule. C'est comme si elle avait gagné en poids (en masse, pardon) et qu'elle avait plus de mal à se déplacer. C'est donc son interaction avec le champ de Higgs qui lui donne cette masse. Donc, plus une particule interagit avec le champ de Higgs et les bosons, plus elle est massique.

A l'inverse, si une personne tout à fait normale traverse la pièce pour aller au buffet, personne ne s'en occupera, elle n'interagit pas du tout avec les bosons et sa vitesse n'est pas ralentie. C'est le cas par exemple d'un photon

Ceci était la "métaphore du Cocktail", que l'on utilise le plus souvent pour décrire le phénomène du champ de Higgs. Mais je vous joins quand même une vidéo très utile où le scientifique John Ellis explique le phénomène à l'aide d'une autre analogie :

Il est à noter que certains médias se réfèrent souvent au Boson de Higgs comme à la "particule de Dieu". Cette dénomination est premièrement inexacte car c'est une mauvaise traduction de "The God Particle" (la "particule-Dieu").

Ce petit nom vient du fait que les scientifiques ont réservé 40 ans de recherches à la découverte de cette particule qui confirmerait le modèle physique utilisé actuellement.

Néanmoins, les scientifiques réprouvent ce surnom, Higgs le premier pense que "cela pourrait en gêner certains".

Comment a-t-on découvert puis validé l'existence du boson ?

Présentation du LHC et du CERN

C'est au CERN évidement, le Centre Européen de Recherche Nucléaire, très réputé pour ses mojitos, que l'on s'affaire à vérifier cette théorie.

Reprenons un peu le fil de l'Histoire :

Suite aux travaux de chimistes (les Curie entre autres), l'humanité a découvert la radioactivité. Puis de fil en aiguille, on a découvert que cette radioactivité découlait d'une science complexe, la physique des particules, qui sert aussi bien en médecine qu'à décimer des populations, et dont le but est de comprendre les mécanismes des plus petits éléments et quantums de notre univers. Les chercheurs ont donc construit des instituts spécialisés afin de faire progresser cette science, et cela dans le monde entier : Fermilab aux USA, CERN en Europe, IN2P3 en France, etc ...

Mais, le problème majeur de cette science est le suivant : Comment étudier l'infiniment petit à notre échelle, sachant qu'il nous est déjà très difficile d'étudier un atome par un microscope électronique ? ( Infiniment petit qui de plus est très instable, c'est à dire avec une très faible "durée de vie" ! )

Stop ! : Comment des particules censées tous nous composer peuvent-elles être instables ?

Je vous rassure, vous n'allez pas exploser dans les 30 secondes. Lorsqu'on parle d'instabilité, c'est qu'une particule n'existe pas de manière naturelle à notre niveau de température, pression, etc. (niveau d'énergie ambiant). Par exemple, aujourd'hui, les éléments les plus stables de l'univers sont les molécules. Si vous envoyez une molécule d'eau sur une planète, elle ne va pas interagir avec une particule quelconque pour former un atome de plomb ! Ça fera juste un tout petit "splash".

Les particules étudiées au CERN, elles, vont interagir avec la matière pour former des particules de plus en plus stables "à notre niveau d'énergie ambiant". C'est à dire qu'une particule fortement énergétique va se décomposer en plusieurs particules moins énergétiques et plus petites, qui vont elles-même se décomposer en d'autres particules, etc... et ainsi de suite jusqu'à obtenir un ensemble énergiquement stable. Et là c'est bingo : mettons qu'on a une particule A instable et indétectable qui interagit avec de la matière selon l'ordre suivant :

Si on arrive à détecter une particule B, puis une C, puis une D et une E, alors il y a de fortes chances que la A ait existé !

Dernier souci : Les particules que l'on veut étudier sont instables, il y a donc peu de chances qu'on en trouve encore dans la nature, prêtes à l'emploi. Il faut donc les créer, soit "Reconstruire" un certain niveau d'énergie où ces particules ont une chance d'apparaître (une chance infime, mais qui compte). Mais comment ? Vous savez tous, geek que vous êtes, que plus vous lancez votre manette de console avec force, plus elle a de chance de finir en morceaux. Ainsi, si vous prenez un éléments stable, un atome par exemple, et que vous lui fracassez la tête, il y a des chance pour voir des particules élémentaires apparaître : Non pas parce que vous le fracassez, mais parce qu'en le fracassant, vous lui donnez de la vitesse, soit de l'énergie. Ainsi, lors de l'impact, cette énergie se transfère et augmente un cours instant "le niveau d'énergie ambiant", favorisant la formation de certaines particules élémentaires instables via les "débris" de l'atome fracassé.

C'est le principe de fonctionnement des accélérateurs de particules, tel que le Large Hadron Collider (LHC). Ils accélèrent des protons, les font collisionner entre-eux et analysent les particules qui en ressortent (voir les images de gerbes de particules ci-à-droite), dans l'espoir d'observer la signature de l'interaction du boson de Higgs avec de la matière environnante. Pourquoi des protons ? Parce que pour accélérer une particule chargée, il suffit d'un champs magnétique. Ainsi le LHC est un long tube circulaire de 26,659 km de circonférence, dans lequel des groupes de protons sont accélérés séparément dans un sens ou un autre par des aimants, et guidés par des aimants quadripolaires. Il sont ensuite collisionnés dans 6 détecteurs ayant plusieurs fonctions : détections de particules, d'antimatière, ect ...

Voici une petite animation retraçant le parcours d'un proton au LHC :

Évidemment, le LHC n'est pas seul, il est juste le plus grand accélérateur de particules au monde. Le CERN, créateur de ce géant, a créé de nombreux autres accélérateurs (linéaires comme circulaires ) avant lui ( depuis 1952, date de fondation du CERN ), dont plusieurs servent aujourd'hui à pré-accélérer les protons injectés dans le LHC (comme dans l'animation précédente). Il est a noter que le LHC a été pensé pendant la construction du LEP (prédécesseur du LHC, début des travaux en 1983 ... ). Pourquoi construire de nouveaux accélérateurs ? Pour en avoir de plus grands, plus modernes, et pouvant atteindre des niveaux d'énergie plus élevés. Malgré les 7 TeV d'énergie que l'on peut générer au LHC, l’interaction avec le boson de Higgs est un évènement extrêmement rare à recréer. C'était donc bien évidement impossible avec un accélérateur plus petit, donc moins énergétique !

(Notez que le CERN, bien qu'obscure laboratoire de physiciens fous, fut le créateur du web...).

Quels sont les résultats qui permettent de penser qu'on a capté un boson ?

Donc, cette année le CERN faisait des expériences au LHC, en collisionnant des protons et en observant les gerbes de particules qui en ressortaient, avec l'espoir d'apercevoir des phénomènes résultants du passage de nouvelles particules. Lors de l'analyse des données, on peut voir que certaines collisions sur les 700 000 millions générées à la fois ont montré qu'une certaine particule d'une énergie de 126 Gev (en tout lettres, giga-électronvolts. C'est 133 fois la masse d'un proton, constituant du noyau atomique) se décomposait en deux photons. Ces résultats sont comparables à ceux qui devaient théoriquement se produire lors de la désintégration d'un Boson de Higgs.

Sur la vidéo ci-dessous vous verrez l'émission des deux photons (les traits pointillés oranges) :

Cette vidéo a été réalisée par le physicien Loïc Quertenmont à partir des données recueillies par le détecteur CMS du LHC.

Pourquoi ces résultats sont fiables ?

Nous avons donc une expérience qui devrait correspondre à l'observation de la désintégration d'un boson de Higgs dans le collisionneur de particules du LHC. Mais avant de crier victoire, il semblerait qu'il faille regarder les incertitudes que l'on observe sur ces expériences.

Le détecteur CMS a observé une particule correspondant aux caractéristiques du boson de Higgs et ayant une énergie de 125,3 (à + ou - 0,6) GeV. On est sûr de ce résultat à 4,9 Sigma, c'est à dire une probabilité d'erreur en dessous d'un millionième.

Le deuxième détecteur, ATLAS, vient confirmer ces données en ayant observé une particule d'une énergie de 126,5, avec une incertitude de 10 millionièmes. On est maintenant sûrs qu'une telle particule a été observée dans le LHC, et qu'elle ressemble fortement à ce que la théorie prévoit être un boson de Higgs.

Quelle application concrète derrière le boson ?

Qu'est-ce que ça veut dire pour la science ?

Mine de rien, c'est la plus grosse découverte depuis l'ADN. L'existence du Boson de Higgs a été prédite en 1960, comme faisant partie du modèle physique que l'on utilisait (pour envoyer des fusées dans l'espace, pour prévoir la météo, pour faire tourner ce monde). Observer le boson de Higgs, c'est valider ce modèle, c'est à dire que si toutes nos lois physiques étaient justes, le boson devait exister. Maintenant que l'on sait qu'il existe, on peut penser que nos lois physiques sont correctes.

Par exemple, on avait il y a quelques temps la certitude que la Terre était plate. Un jour est arrivé Christophe Colomb qui a prouvé qu'elle était ronde et donc infirmé ce modèle. Au XXième siècle on a émis le modèle de la physique des particules, et aujourd'hui l'observation du boson de Higgs vient confirmer cette théorie. Un grand soulagement pour les scientifiques !

Et sinon, ça sert à quoi ?

Et bien pour faire cuire un steak, on ne peut pas dire que ça soit très utile. Pire, il n'y a pas encore d'application propre à cette découverte mis à part la validation de toute une théorie. ( Dont le citoyen moyen, il est vrai, se fout un peu ... ). Néanmoins, cette découverte a nécessité de nouvelles innovations technologiques, dans de nombreux domaines scientifiques : gestion de base de données gigantesques, amélioration du stockage de données numériques, gestion des supraconducteurs, et beaucoup d'autres. De plus, on trouvera peut être un jour une utilité technologique à ce boson : Le jour où des mecs ont réussi à polariser de la lumière, c'était un peu une attraction de cirque, mais aujourd'hui qui pourrait se passer du laser ? ( chez les geeks en tout cas ).

De plus, comme on le disait, la science n'a pas attendu que la théorie du Boson de Higgs se vérifie pour l'utiliser ! Cela fait des décennies que l'on travaille en utilisant la physique des particules sans avoir eu besoin de confirmer la théorie.

Image : le conduit circulaire du LHC

En bref : qui est Peter Higgs ?

Celui que l'on cite pour la théorisation du Boson de Higgs est bien sûr Peter Higgs, aujourd'hui âgé de 83 ans, qui occupait jusqu'à sa retraite une chaire à l'université d'Edimbourg.

Ce physicien de génie avait proposé le mécanisme de Brout-Englert-Higgs-Hagen-Guralnik-Kibble (plusieurs physiciens avait théorisé ce mécanisme, indépendamment) dans les années 1960. Ce mécanisme expliquait notamment l'apparition de la masse chez les particules (voir plus haut).

Présent à la conférence du CERN du 4 juillet, Higgs très ému avait dit "pour moi, c'est vraiment incroyable... C'est arrivé de mon vivant !". Le physicien, plus tard abordé au sujet d'un éventuel prix Nobel, avait balayé l'éventualité d'un geste de la main, disant "je ne sais pas, je n'ai pas d'ami proche dans le comité du Nobel.". Très bien envoyé.

Conclusion

Cet article touche à sa fin, n'hésitez pas à continuer à vous renseigner sur le boson de Higgs et sa découverte, vous pouvez d'ailleurs lire les articles suivants :

Résumé de la conférence du CERN Chez SciencesEtAvenir
Un article, un deuxième, un troisième chez Futura-Sciences
Le Boson de Higgs sur Wikipédia

Nous espérons que cet article vous a plu et intéressé, n'hésitez pas à rebondir par commentaire ou sur le forum

Cet article a été rédigé, mis en page, corrigé, illustré par Dawlin, Ev, SiMax, Mizur et Lucas.