Le boson de Higgs: la particule à la masse!

Aujourd’hui est un grand jour. Oui, car aujourd’hui le modèle standard de la physique des particules élémentaires est en passe de livrer tous ses secrets. Le mot est lancé et il fait peur (à tort) à ceux qui entendent résonner les voix de leur professeur de physique. Ne partez pas amis réfractaires, cet article n’a pas pour vocation de vous assommer mais de vous faire réfléchir sur ce qui sert de cadre à toutes les théories scientifiques développées actuellement.

Pour vous parler du boson de Higgs, qui défraye actuellement la chronique, il faut que j’introduise rapidement ce que sont les particules élémentaires ainsi que la matière afin d’expliquer au mieux pourquoi ce boson a une importance capitale pour la recherche.

Les particules élémentaires sont les plus petites entités de l’univers qui ne résultent pas d’une interaction d’autres entités. On peut distinguer deux types de particules élémentaires :

  • Les particules de matière que l’on appelle aussi « Fermions ».
  • Les particules d’interaction nommées aussi « Bosons ».

Pour comprendre la différence existante entre ces deux particules rien de mieux qu’un exemple. Si on prend une boîte et qu’on y met des fermions, il arrivera un moment où elle sera pleine et il ne sera alors plus possible d’en ajouter… La matière ne peut donc pas être comprimée à l’infini (alors qu’il y aurait toujours de la place dans la boîte pour des bosons, qui sont les particules d’interactions).

Ces fermions sont les plus petites entités connues qui composent la matière. Il existe deux types de fermions.

  • Les leptons : qui ne sont pas sensibles à toutes les interactions. Les deux plus connus sont l’électron et le neutrino.
    • Les neutrinos sont des particules solitaires qui interagissent peu avec les atomes, mais sachez que chaque seconde vous êtes traversé par 400 000 milliards de neutrinos. (hummm, je vous vois tous émoustillés par les joies de l’étude de l’infiniment petit)
  • Les quarks : (entités sensibles à toutes les interactions) sont les constituants des nucléons qui constituent eux-mêmes le noyau atomique.
    • Ce noyau atomique combiné à des électrons constitue les atomes

Les bosons sont des particules qui sont à l’origine de trois des quatre interactions qui existent dans la nature.

  • Le plus connu est le photon, qui «porte» l’interaction électromagnétique. C’est grâce à lui que des éléments de matière de même charge (positive ou négative) se repoussent et que des éléments de charge différente s’attirent. Cette particule ne possède pas de masse.
  • Les gluons (vecteurs de l’interaction forte) qui portent bien leur nom servent à coller les quarks entre eux.
  • Enfin certains autres bosons portent l’interaction faible.

Pour résumer les atomes résultent de l’assemblage de quarks et d’électrons à l’aide des bosons, qui sont la source des forces maintenant les autres particules ensemble.

Un beau schéma pour comprendre comment interagissent ces particules pour former la matière.

Voila pour la composition des atomes et donc de la matière. Depuis un siècle les physiciens s’acharnent à dresser la liste des particules qui composent l’univers et à établir leur carte d’identité : taille, masse, charge électrique, fonction exacte, etc. Mais leur travail reste encore incomplet. Premier problème, et pas des moindres : avec la matière identifiée à ce jour, on n’explique que 4% de la composition totale de l’univers, soit en gros celle qui compose les atomes. Au moins on peut être sûr que les chercheurs auront toujours matière à réflexion (le jeu de mot est casé!)

Dans leurs travaux de recherche et de classification de la matière les chercheurs ont observé que certaines particules avaient une masse (celles qui font que vous faites un certain poids) et d’autres non (comme le photon). Cette différence de masse était en contradiction avec le modèle standard, lequel supposait que les particules ne devaient pas avoir de masse! il subsistait donc des interrogations vis à vis de la masse de ces particules, pourquoi certaines étaient lourdes alors que d’autres avait une masse nulle, et surtout comment ces particules faisaient pour exister sans masse ?

Et c’est la que le Boson de Higgs entre en scène. En 1964, Peter Higgs ainsi que deux autres chercheurs belges expliquent que les différences de masse des particules sont dues à l’existence d’une particule encore non observée! Ils ont donc inventé ce boson sans pouvoir l’observer et toute la théorie du modèle standard (qui définit l’existence des particules élémentaires et leurs interactions) repose sur la supposée existence de cette particule qui donnerait une masse aux autres particules.

Pour faire simple le boson de Higgs serait une particule très lourde qui créerait autour d’elle une force d’attraction. Cette force agirait sur les autres particules et s’opposerait à leur déplacement. Plus les particules interagissent avec les bosons de Higgs plus elles sont freinées dans leur mouvement. Et plus elles sont freinées, plus le physicien qui les observe aura l’impression qu’elles sont lourdes. Si par exemple une particule n’interagit pas avec le boson de Higgs elle n’aura pas de masse mesurable car elle ne sera pas freinée par celui-ci.

Pour illustrer l’action des bosons de Higgs il existe un florilège d’exemples et je vais vous en présenter deux qui à mon sens résument parfaitement le fonctionnement de ces mystérieux bosons (aussi appelés particules de dieu)

  • Imaginez que vous lâchiez une pomme au dessus d’un gros pot de miel. La pomme va se déplacer bien plus vite dans l’air par rapport au moment ou elle entrera en contact avec le miel. Elle sera freinée par la viscosité du miel. Cette petite expérience résume parfaitement l’action des bosons de Higgs (ici symbolisé par le miel) qui entravent les déplacements des autres particules élémentaires (représentées dans l’exemple par la pomme).
  • Imaginez maintenant une pièce remplie de physiciens. Tout d’un coup, Einstein arrive et essaye de la traverser, mais des physiciens éblouis par sa personne s’agglutinent autour de lui et entravent ses mouvements, ce qui augmente sa masse. Maintenant, imaginez que je rentre dans la pièce. En tant qu’étudiant de seconde zone, personne ne veut me parler, ce qui fait que j’arrive à traverser relativement facilement la foule de physiciens, pas de masse effective pour moi!

Dans cet exemple les physiciens présents dans la pièce sont comparables aux fameux bosons de Higgs. L’attroupement autour d’Einstein ralentit ses mouvements et fait de cet amas une entité dense et lourde. L’étudiant insignifiant  qui traverse la pièce sans que personne ne le remarque peut être assimilé à ces particules qui n’interagissent pas avec les bosons de Higgs et qui donc ont une masse faible voire nulle.

Alors la théorie, les exemples, c’est bien beau mais quand cela concerne une particule jamais observée ca relève de la fiction. Depuis son invention en 1964 le mystère du boson de Higgs reste entier. Pourtant le 4 juillet dernier les chercheurs du CERN de Genève ont communiqué sur la possible observation de ce boson avec un degré de confiance de 99,99997 %. Et cette découverte a eu l’effet d’une bombe, ce serait en effet l’une (l’unique ?) des principales découvertes scientifiques des dernières décennies. Il y a bien eu la pseudo découverte de neutrinos, allant plus vite que la vitesse de la lumière et qui mettait à mal la théorie de la relativité énoncée par Einstein (E=mc2 pour ceux qui auraient un trou de mémoire). Mais les chercheurs du CERN ont vite déchanté, cette découverte était en fait due à une erreur de câblage. Ouf, Albert qui s’était retourné dans sa tombe pouvait se rendormir tranquille, sa théorie n’était pas prête de se faire démonter.

Pour trouver cette particule presque impossible à détecter les gros moyens ont été employés. Ainsi c’est près de 4 milliards d’euros qui ont été investis dans un gigantesque accélérateur de particules (se trouvant à 100 mètres de profondeur et refroidi à -271°). Le but de cet appareil : simuler la collision de photons lancés les uns contre les autres à quasiment la vitesse de la lumière et observer la création de nouvelles particules dues à ces collisions.

Schéma de l’accélérateur de particules (LHC) qui a permis de découvrir le boson de Higgs

Et bien comme je vous le disais le grand jour est arrivé et les chercheurs ont observé ce qui pourrait être le boson de Higgs. Le modèle à la base des théories scientifiques actuelles pourrait donc être validé, ENFIN ! La découverte ô combien importante de cette particule de Dieu donne raison à ces scientifiques qui dès 1964 avait entrevu son existence sans pouvoir la prouver. Rendez vous compte, ce n’est que maintenant que l’on peut expliquer pourquoi la masse existe et surtout comment elle existe !

Maintenant que l’on sait que c’est ce boson qui donne leur masse aux particules, les chercheurs vont pouvoir plancher sur une nouvelle énigme toute aussi sympathique: qu’est ce qui donne leur masse aux bosons de Higgs ?

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gaspar

Je suis étudiant en Finance. Passionné de science je ne rate presque aucun documentaire Arte!

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  • Philippe Montpellier

    J’ai lu jusqu’au bout !!!! Super et les schémas sont biens et l’exemple d’Einstein est vraiment parlant. Dommage que tu n’expliques pas plus le fonctionnement de l’accélérateur j’étais bien parti dans la lecture. Un prochain article peut-être.

  • Dom

    Salut Gaspar,
    Beau travail! J’ai tout compris…
    N’empêche que je m’inquiète un peu de savoir que ces scientifiques soient à la recherche de la divinité en ces lieux… Le Sacré aurait-il une masse, lui aussi?
    Je crois me rappeler que dans les années soixante, un groupe de chercheurs de Princetown pensait déjà avoir trouvé Dieu dans l’infiniment petit. Comme quoi…
    Encore Bravo!
    Dom.