Sciences · Physique
Le boson de Higgs
Le boson de Higgs est une particule élémentaire découverte au CERN en 2012. Il est la manifestation du champ de Higgs, qui donne leur masse aux particules élémentaires comme l’électron et les quarks.
Mis à jour le 5 min de lecture
Le 4 juillet 2012, le CERN annonce la découverte d’une nouvelle particule, d’une masse d’environ 125 GeV, compatible avec le boson de Higgs recherché depuis près de cinquante ans. C’était la dernière pièce manquante du modèle standard des particules et la confirmation d’une idée théorique audacieuse de 1964 sur l’origine de la masse.
Le problème à résoudre
Dans les années 1960, les physiciens cherchent à décrire l’interaction faible par une théorie du même type que l’électromagnétisme (voir interactions fondamentales). Mais les équations les plus élégantes imposent des particules sans masse. Or les particules qui transmettent l’interaction faible, les bosons W et Z, doivent être très lourdes, et l’électron ou les quarks ont bel et bien une masse. Comment concilier la symétrie des équations et la réalité ?
L’idée : un champ qui remplit l’Univers
En 1964, trois groupes publient indépendamment la même solution : François Englert et Robert Brout (Bruxelles), Peter Higgs (Édimbourg), puis Gerald Guralnik, Carl Hagen et Tom Kibble. Ils proposent qu’un champ invisible emplisse tout l’espace. Les particules qui interagissent avec ce champ acquièrent une masse ; celles qui n’interagissent pas, comme le photon, restent sans masse. Plus le couplage est fort, plus la particule est lourde : le quark top, qui interagit le plus, est la particule élémentaire la plus massive.
Peter Higgs souligne que ce mécanisme implique l’existence d’une particule associée au champ, une sorte de vibration de celui-ci : c’est le boson de Higgs. Le trouver, c’était prouver que le champ existe.
La chasse et la découverte
La théorie ne prédisait pas la masse du boson. Il a donc fallu la chercher sur une large plage d’énergies, au LEP du CERN (jusqu’en 2000), puis au Tevatron de Fermilab (États-Unis), sans succès décisif.
Le LHC (Grand collisionneur de hadrons), anneau de 27 km situé à 100 m sous la frontière franco-suisse près de Genève, démarre en 2008. Il projette des protons les uns contre les autres à des énergies inédites. Un boson de Higgs n’apparaît qu’environ une fois pour des milliards de collisions et se désintègre en environ 10⁻²² seconde : on ne le voit jamais directement, on reconstitue sa présence à partir de ses produits de désintégration (deux photons, quatre leptons…).
Le 4 juillet 2012, les deux grandes expériences indépendantes du LHC, ATLAS et CMS, annoncent chacune un excès de signal autour de 125 GeV avec un niveau de confiance de « 5 sigma », le seuil conventionnel d’une découverte (probabilité d’environ un sur 3,5 millions qu’il s’agisse d’une fluctuation). Les mesures suivantes confirment qu’il s’agit bien d’un boson de Higgs.
Le prix Nobel 2013
Le prix Nobel de physique 2013 est attribué à François Englert et Peter Higgs « pour la découverte théorique d’un mécanisme qui contribue à notre compréhension de l’origine de la masse des particules subatomiques ». Robert Brout, mort en 2011, n’a pu être distingué, le prix n’étant pas décerné à titre posthume.
Ce que le Higgs explique… et n’explique pas
| Le champ de Higgs explique | Il n’explique pas |
|---|---|
| la masse des bosons W et Z | l’essentiel de la masse des protons et des neutrons (environ 99 %), due à l’énergie de l’interaction forte |
| la masse de l’électron, du muon, du tau | la masse des neutrinos (mécanisme encore inconnu) |
| la masse des quarks | la matière noire, l’énergie noire |
| pourquoi l’interaction faible a une portée si courte | pourquoi les masses ont ces valeurs précises |
Autrement dit, la masse d’un objet du quotidien ne vient pas principalement du Higgs. Mais sans lui, l’électron n’aurait pas de masse, les atomes ne pourraient pas se former et la chimie, donc la vie, n’existerait pas.
La « particule de Dieu » ?
Le surnom vient du titre d’un livre de vulgarisation du physicien Leon Lederman, The God Particle (1993). Il n’a aucune portée religieuse et la plupart des physiciens, dont Peter Higgs lui-même, le jugeaient malvenu. On préfère dire « boson de Higgs », ou « boson BEH » (Brout-Englert-Higgs) en hommage à tous ses inventeurs.
Les questions ouvertes
Depuis 2012, les physiciens mesurent avec précision les propriétés du boson : sa façon de se coupler aux différentes particules, sa durée de vie, son interaction avec lui-même. Tout reste pour l’instant conforme au modèle standard. Plusieurs énigmes demeurent :
- pourquoi sa masse est-elle si « légère » par rapport aux énergies auxquelles on s’attendrait en théorie (problème de hiérarchie) ?
- existe-t-il plusieurs bosons de Higgs, comme le prévoient certaines extensions du modèle ?
- le champ de Higgs a-t-il joué un rôle dans l’inflation cosmique ou dans l’excès de matière sur l'antimatière ?
Le LHC à haute luminosité, prévu pour fonctionner jusqu’à la fin des années 2030, doit produire environ dix fois plus de collisions pour préciser ces mesures.
Questions fréquentes
Qu’est-ce que le boson de Higgs en termes simples ?
C’est la particule associée à un champ qui remplit tout l’espace et avec lequel interagissent les particules élémentaires ; cette interaction leur donne leur masse.
Quand le boson de Higgs a-t-il été découvert ?
Sa découverte a été annoncée au CERN le 4 juillet 2012 par les expériences ATLAS et CMS du LHC. Il avait été prédit en 1964.
Le boson de Higgs donne-t-il sa masse à tout ?
Non. Il donne leur masse aux particules élémentaires, mais la masse des protons et des neutrons, donc de la matière ordinaire, vient surtout de l’énergie de l’interaction forte entre les quarks.
Pourquoi l’appelle-t-on « particule de Dieu » ?
À cause du titre d’un livre de vulgarisation paru en 1993. Le surnom est médiatique et rejeté par la plupart des physiciens.