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Durant la journée du mardi 13 décembre, la communauté scientifique était dans l’effervescence dans l’attente d’une éventuelle annonce au CERN concernant l’existence - ou la non-existence - du boson de Higgs, la pièce manquante du modèle standard. Les scientifiques du CERN se réunissaient en effet en séminaire pour présenter l’avancement des expériences réalisées en 2011 au LHC (1), le grand accélérateur de particules.

Comme l’explique Michel Spiro, chercheur au CNRS et président du conseil du CERN, "le boson de Higgs est le dernier chaînon manquant de la théorie qui permet d’expliquer de quoi est faite la matière, lorsqu’on la regarde avec les microscopes les plus puissants que sont les accélérateurs de particules" (France Culture, journal de 22h, Isabelle Gaudin, 13 décembre 2011)

Quel rôle joue le boson de Higgs dans le modèle standard ?

Le Modèle standard arrive à décrire toutes les particules élémentaires connues et la façon dont elles interagissent les unes avec les autres. Mais notre compréhension de la nature est incomplète. En particulier, le Modèle standard ne répond pas à une question simple : Pourquoi la plupart des particules élémentaires ont-elles une masse ?

À première vue, le concept de masse semble ne pas avoir sa place dans le Modèle standard de la physique des particules. Deux des forces décrites par le modèle - l’électromagnétisme et la force nucléaire faible - peuvent être décrites par une seule théorie, celle de la force électrofaible. Les physiciens ont mis cette théorie électrofaible à l’épreuve par de nombreuses expériences, qui l’ont toujours confirmée. Toutefois, les équations de base de la théorie semblent n’être valables que si toutes les particules élémentaires porteuses de force sont dépourvues de masse.
Or, nous savons que cela n’est pas le cas ; les physiciens Peter Higgs, Robert Brout et François Englert ont proposé une solution à cette énigme.

Le mécanisme de Higgs ou la "rustine" théorique du modèle standard

Leur théorie est que, juste après le Big Bang, aucune particule n’avait de masse. Lorsque l’Univers a refroidi et que la température est tombée en-dessous d’un seuil critique, un champ de force invisible appelé "champ de Higgs" s’est formé en même temps que le boson de Higgs, particule qui lui est associée. L’interaction avec ce champ répandu partout dans le cosmos permet aux particules d’acquérir une masse par l’intermédiaire du boson de Higgs. Plus les particules interagissent avec le champ de Higgs, plus elles deviennent lourdes. Au contraire, les particules qui n’interagissent pas avec ce champ ne possèdent aucune masse.

Cette idée constituait une solution satisfaisante et était en adéquation avec les théories et les phénomènes établis. Le problème est que personne n’a jamais observé le boson de Higgs lors d’une expérience pour confirmer cette théorie. Trouver cette particule permettrait d’une part de mieux comprendre pourquoi les particules ont la masse qui leur est propre et, d’autre part, de contribuer au développement de la physique.

Une particule d’autant plus insaisissable que sa masse est inconnue...

Néanmoins, il y a un problème technique : nous ne connaissons pas la masse du boson de Higgs lui-même, ce qui rend son identification plus difficile. Les physiciens doivent donc procéder systématiquement en le cherchant dans la gamme de masses dans laquelle il est censé se trouver. C’est cette gamme qu’explore le Grand collisionneur de hadrons, dont le rôle est de déterminer l’existence du boson de Higgs.

Que savait-on jusqu’alors ? Qu’a-t-on découvert cette fois-ci ?

Les scientifiques travaillent depuis environ 30 ans à ses recherches pour confirmer ou infirmer l’existence du boson de Higgs. Ainsi, on savait déjà que le boson de Higgs devait avoir une masse comprise entre 0 et 1000 fois la masse du proton. Les machines qui ont précédé le LHC avaient établi que le boson devait avoir une masse plus grande que 115 fois la masse du proton. Et, au cours de l’année 2011, cette fenêtre a été précisée : la masse du boson est désormais circonscrite par les expériences Atlas et CMS dans le créneau entre 115 et 130 GeV (2). C’est le principal résultat permis par l’énorme volume de données qu’ont accumulé entre 2000 et 3000 physiciens de tous les pays, unis dans un commun effort de compréhension de la matière.

Comment repérer le boson de Higgs ?

"La machine elle-même, c’est un grand accélérateur de particules qui fait 27 km de circonférence : les protons tournent dans un sens et dans l’autre et viennent se collisionner de plein fouet", explique Michel Spiro. "La machine passe sous le Jura, elle est à Genève, elle traverse la frontière, donc les protons passent leur temps à traverser la frontière dans un sens et dans l’autre, et il se collisionnent en quelques endroits notamment dans des endroits où se trouvent les grands détecteurs que sont Atlas et CMS, et qui ont annoncé qu’ils avaient observé des excès de collision qui peuvent être des indicateurs de la production du boson de Higgs."

En conclusion, la quête du boson a donc progressé, mais il faudra encore attendre pour trancher sur l’existence ou la non-existence de cette insaisissable particule !

Quel sont les enjeux ?

Si on trouve le boson de Higgs, on aura confirmé le modèle standard. Il se pourrait aussi que le boson de Higgs qu’observent les expérimentateurs soit différent de la version la plus simple prédite par le Modèle standard. Plusieurs des théories décrivant la physique au-delà du Modèle standard, notamment la supersymétrie et les modèles composites, prévoient l’existence de tout un zoo de nouvelles particules, y compris différents types de bosons de Higgs. Si l’un de ces scénarios est conforme à la réalité, la découverte du boson de Higgs pourrait ouvrir la voie à la découverte d’une nouvelle physique, avec par exemple les superparticules ou la matière noire.

Mais si ce boson s’avère introuvable, les physiciens auront le champ libre pour élaborer une théorie complètement nouvelle afin d’expliquer l’origine de la masse des particules.

Percer l’énigme du boson de Higgs pour décrire les origines de l’univers

Percer l’énigme du champ de Higgs, c’est aussi dans une certaine mesure décrire d’où l’on vient, c’est à dire l’origine de la matière. "En effet, ce qu’on reproduit avec les accélérateurs de particules, ce sont des états très denses très chauds, très proches des états qui existaient au tout début de l’univers. Donc en comprenant la matière, on comprend aussi les premiers instants de l’histoire de l’univers", résume Michel Spiro, chercheur au CNRS et président du conseil du CERN.

Notes
(1) Large Hadron Collider ou Grand collisionneur de 
(2) 1 GeV = 10puissance9 eV (électron-volt)

Voir un film d’animation (en anglais) : Journey to discover the nature of mass (the Higgs Field), by Chris Mann, Mannmade Productions, © 2008 CERN.

Sources

Sur le site Internet du CERN (organisation européenne pour la recherche nucléaire) :
Les collaborations ATLAS et CMS présentent l’avancement de leur recherche du Higgs, 13 décembre 2011.
Le boson de Higgs
Le boson manquant

France Culture, Journal de 22h du mardi 13 décembre, Isabelle Gaudin (à partir de la 8ième minute)

Pour approfondir

L’existence du boson de Higgs sera-t-elle confirmée en 2012 ? Actualité du 31 octobre 2011, Science.gouv

Suivre le CERN sur Twitter http://twitter.com/cern/

Vidéo sur la "Salle de contrôle de l’expérience CMS" (en français), © 2011 CERN.

Et d’autres vidéos sur la recherche du boson de Higgs sur le site internet du CERN.  

Crédits photographiques

Dans l’ordre d’affichage :

2 Candidate events in the CMS Standard Model Higgs Search using 2010 and 2011 data © 2011 CERN.

Événement faisant apparaître quatre muons (traces rouges) issus d’une collision proton-proton à ATLAS. Cet événement peut correspondre à la désintégration de deux particules Z produisant deux muons chacune. De tels événements peuvent être produits par des processus du Modèle standard sans particule de Higgs. Ils pourraient aussi être une signature indiquant la production de particules de Higgs, mais il faudra d’abord analyser de nombreux événements pour pouvoir déterminer s’il existe un signal de Higgs. ©CERN 2011

ATLAS proton-proton event containing two electrons and two muons, © 2011 CERN.