La quête du boson de Higgs

Les particules élémentaires doivent peut-être leur masse à l’insaisissable boson de Higgs

Dans les années 1970, les physiciens ont compris qu’il y avait des liens étroits entre deux des quatre forces fondamentales, la force faible et la force électromagnétique. Ces dernières peuvent être décrites dans le cadre d’une théorie unifiée, qui constitue la base du Modèle standard. On entend par « unification » le fait que l’électricité, le magnétisme, la lumière et certains types de radioactivité sont tous des manifestations d’une seule et même force appelée force électrofaible.

Les équations fondamentales de la théorie unifiée décrivent de façon correcte la force électrofaible et ses particules porteuses de force associées, à savoir le photon et les bosons W et Z. Mais il y a un hic. Dans ce modèle, toutes ces particules paraissent dépourvues de masse. Or si le photon a effectivement une masse nulle, nous savons que les particules W et Z ont une masse non nulle, équivalente à près de 100 fois la masse d'un proton. Heureusement, les théoriciens Robert Brout, François Englert et Peter Higgs ont proposé une théorie qui devait résoudre ce problème. Ce que nous appelons à présent mécanisme de Brout-Englert-Higgs donne une masse au W et au Z lorsqu'ils interagissent avec un champ invisible, dit « champ de Higgs »,  présent dans tout l’Univers.

Juste après le Big Bang, le champ de Higgs était nul, mais, lorsque l’Univers a commencé à se refroidir, et que la température est tombée en dessous d’une certaine valeur critique, le champ s’est développé spontanément, si bien que toutes les particules interagissant avec ce champ ont acquis une masse. Plus une particule interagit avec ce champ, plus elle est massive. Les particules comme le photon, qui n’interagissent pas avec le champ, se retrouvent totalement dépourvues de masse. Comme tous les champs fondamentaux, le champ de Higgs est associé à une particule, le boson de Higgs. Le boson de Higgs est la manifestation visible du champ de Higgs, un peu comme la vague à la surface de la mer.

L’insaisissable particule

Pendant de nombreuses années, le problème a été qu’aucune expérience n’avait observé le boson de Higgs, ce qui aurait permis de confirmer la théorie. Le 4 juillet 2012, les expériences ATLAS et CMS auprès du Grand collisionneur de hadrons (LHC) ont annoncé qu'elles avaient toutes deux observé une nouvelle particule dont la masse se situait dans la région des 126 GeV.

Cette particule présente des caractéristiques compatibles avec celles du boson de Higgs, mais de nouvelles analyses sont nécessaires pour qu’on puisse déterminer s’il s’agit du boson de Higgs prédit par le Modèle standard. Le boson de Higgs, tel qu’il est décrit par le Modèle standard, est la manifestation la plus simple du mécanisme de Brout-Englert-Higgs. D’autres types de bosons de Higgs sont prédits par d’autres théories allant au-delà du Modèle standard.

Le 8 octobre 2013, le prix Nobel de physique a été attribué conjointement à François Englert et Peter Higgs « pour la découverte théorique du mécanisme contribuant à notre compréhension de l’origine de la masse des particules subatomiques et récemment confirmée par la découverte, par les expériences ATLAS et CMS auprès du LHC du CERN, de la particule fondamentale prédite par cette théorie ».