Le boson de Higgs
Nous sommes constitués de particules, et il en va de même pour tout ce qui nous entoure.
Au commencement de l’Univers, les particules n’avaient pas de masse. Elles se déplaçaient à la vitesse de la lumière.
Si les étoiles, les planètes et la vie ont pu émerger, c’est parce que les particules ont acquis une masse grâce au champ de Higgs.
L’existence de ce champ a été confirmée en 2012, par la découverte au CERN du boson de Higgs qui lui est associé.
Dans la description actuelle de la nature, chaque particule est une onde dans un champ. Par exemple, la lumière est à la fois une onde dans le champ électromagnétique et un flux de particules appelées « photons ».
Pour le boson de Higgs, le champ est apparu en premier. Dans l’hypothèse proposée en 1964, il s’agissait d’un nouveau type de champ présent dans tout l’Univers et donnant une masse à toutes les particules élémentaires. Le boson de Higgs est une onde à l’intérieur de ce champ. La découverte du boson confirme l’existence du champ de Higgs.
Les particules acquièrent une masse lors de leur interaction avec le champ de Higgs. Plus l’interaction est forte, plus la particule est massive. Les photons, par exemple, n’interagissent pas avec ce champ : ils n’ont pas de masse. D’autres particules élémentaires interagissent avec ce champ, et sont donc dotées de masses diverses.
Ce phénomène par lequel les particules acquièrent une masse est appelé « mécanisme de Brout-Englert-Higgs », du nom de trois théoriciens, Robert Brout, François Englert et Peter Higgs.
On ne peut pas « trouver » le boson de Higgs quelque part. Il doit être produit au cours d’une collision de particules puis se désintégrer en d’autres particules qui peuvent alors être identifiées dans des détecteurs.
Les traces de ces particules se trouvent dans les données collectées. La difficulté, c’est que ces particules peuvent être issues d'autres processus, alors que le boson de Higgs n’apparaît qu’au cours d’une collision sur un milliard au LHC. C’est l’analyse minutieuse d’énormes quantités de données qui a permis en 2012 de repérer le faible signal de la particule.
Le 4 juillet 2012, ATLAS et CMS annonçaient au CERN la découverte d'une nouvelle particule.
Une particule sans charge électrique, à durée de vie courte et se désintégrant comme le prévoyait la théorie pour le boson de Higgs. Il fallait encore vérifier son « spin », le boson de Higgs étant la seule particule à avoir un spin nul.
En examinant deux fois et demie plus de données, ils ont conclu en mars 2013 qu'un type de boson de Higgs avait effectivement été découvert.
La découverte du boson de Higgs n'était qu’un début. Au cours des dix années suivantes, les physiciens ont étudié son interaction avec d'autres particules.
La force de l'interaction peut être mesurée expérimentalement en observant la production et la désintégration des bosons de Higgs : plus une particule est lourde, plus il est probable qu’elle intervienne dans un tel processus. En 2016, on a découvert l’interaction du boson de Higgs avec le lepton tau et en 2018 avec les quarks top et bottom.
Mais il nous reste encore beaucoup à apprendre.
Dix ans après sa découverte, il nous reste beaucoup à apprendre sur le boson de Higgs.
Est-il unique en son genre, ou existe-t-il tout un secteur de Higgs ? Va-t-on, grâce à lui, comprendre pourquoi, dans la formation de l’Univers, la matière a prévalu sur l'antimatière ? Obtient-il sa masse en interagissant avec lui-même ? Et pourquoi sa masse est-elle si faible, faut-il supposer un mécanisme entièrement nouveau ?
La matière noire et d'autres nouvelles particules pourraient-elles être révélées grâce à des interactions avec le boson de Higgs ?
Le boson de Higgs a un impact sur notre quotidien, et vous ne le soupçonnez peut-être pas.
Il nous donne une clé pour répondre à nos questions sur l’Univers et son évolution : pourquoi avons-nous une masse, comme toute la matière qui nous entoure ?
Pour rechercher cette particule, les technologies des accélérateurs et des détecteurs ont été poussées à leurs limites, ce qui a permis des avancées dans de nombreux domaines, comme celui de la santé ou de l'aérospatiale, pour ne citer que ces exemples.