Courant 2012, nous avions été submergés d’actualités concernant l’incroyable découverte du boson de Higgs (même TF1 en avait parlé, c’est dire !). Entre chercheurs se félicitant chaudement et journalistes leur demandant « Mais en fait, ça sert à quoi un boson de Higgs ? », nous autres, spectateurs lambda, étions un peu restés sur notre faim. Alors debout les campeurs, et haut les cœurs, aujourd’hui nous allons tenter d’expliquer en quoi consiste le boson de Higgs !
Un peu d’histoire
L’idée du boson de Higgs n’est pas toute jeune puisqu’il fut théorisé en 1964 indépendamment par Robert Brout, François Englert et Peter Higgs, ainsi que par Carl Richard Hagen, Gerald Guralnik et Thomas Kibble. L’Histoire n’a choisi de retenir que les trois premiers et c’est pourquoi le boson est passé à la postérité sous le nom de boson BEH, ou plus communément boson de Higgs.
Il faudra attendre le 4 juillet 2012 avant d’en entendre à nouveau parler avec l’annonce du CERN de la découverte d’un nouveau boson au sein du LHC (le Large Hadron Collider, un accélérateur de particules de 27 km de circonférence, situé sous la frontière franco-suisse, près de Genève). Le 15 mars 2013, le CERN confirme que, selon toute vraisemblance, il s’agit bien du boson de Higgs.
Peter Higgs devant un détecteur de particule du LHC eu CERN
Qu’est-ce donc que le boson BEH ?
Il convient tout d’abord d’introduire le modèle standard. Les physiciens des particules ont établi ce modèle en vue de décrire les interactions entre particules élémentaires (une particule élémentaire est une particule impossible — jusqu’à preuve du contraire — à subdiviser en particules plus petites) qui constituent la matière.
Ce modèle se compose de deux familles. Tout d’abord les fermions, constituants de la matière, qui se partagent entre les quarks et les leptons. Les quarks entrent dans la composition de particules composites comme les hadrons (les protons et les neutrons sont des exemples de hadrons), tandis que les leptons, insensibles à certaines forces, restent à l’état élémentaire et n’interviennent que dans certaines réactions nucléaires (le neutrino intervient par exemple dans la désintégration nucléaire β+).
Les bosons sont la deuxième famille des particules élémentaires. A chacune des trois forces fondamentales (électromagnétisme, interaction forte et interaction faible), correspondent un ou plusieurs boson de jauges constituant les « vecteurs » ou « support » de ces forces. Ces particules de champ peuvent être réelles ou virtuelles. Dans ce dernier cas, elles ont une durée d’existence extrêmement brève et sont observées indirectement par leur action, qui consiste essentiellement à transmettre les forces fondamentales. C’est d’ailleurs pourquoi ces particules virtuelles sont aussi appelées « particules messagères » ou « médiateurs ».
Le boson de Higgs n’est pas un médiateur de force, mais son existence est nécessaire au modèle standard. En effet, il est supposé conférer leur masse à toutes les autres particules du modèle.
Le boson, « comment ça marche » ?
Pour expliquer comment il confère leur masse aux particules, il convient de travailler non plus avec le boson mais avec le champ de Higgs (le boson de Higgs étant en effet le quantum du champ de Higgs, de la même manière que le photon est le quantum du champ électromagnétique).
Le champ de Higgs baigne l’intégralité de l’Univers, et les particules élémentaires que nous avons précédemment exposées interagissent nécessairement avec ce dernier. Cependant, elles ne vont pas toutes interagir de la même façon. Nous allons utiliser, pour bien clarifier le propos, la métaphore du champ de neige. Représentons-nous le champ de Higgs comme une couche de neige s’étendant à l’infini dans toutes les directions (et le boson de Higgs serait alors un flocon de ce champ de neige). Les particules élémentaires se déplacent donc à travers cette couche de neige, mais pas toutes avec la même aisance. Le photon, monté par exemple sur des skis, va donc glisser sur la neige sans s’y enfoncer : il n’interagit que très peu, voire pas du tout, avec le champ de Higgs, et par conséquent sa masse est nulle. Viennent ensuite les fermions, les plus « légers » sont les neutrinos dont on croyait jusqu’à récemment qu’ils avaient une masse nulle. Puis arrive l’électron, avec une masse de 0,511 MeV/c² : imaginons-le sur des raquettes : il va s’enfoncer modérément dans la neige, mais suffisamment pour acquérir une masse bien définie. Tout en haut de l’échelle vient le quark top, qui est de loin la particule élémentaire la plus lourde avec ses 175 GeV/c² : on peut se le figurer à pied dans la neige, s’enfonçant jusqu’à la taille, et avançant avec difficulté.
La masse d’un fermion ou d’un boson n’est donc qu’une manifestation de cette interaction des particules avec le champ de Higgs dans lequel elles « baignent ». Cette tendance à s’enfoncer plus ou moins dans la neige, la force de l’affinité des particules avec le champ de Higgs est appelé le couplage : un fort couplage entraîne une masse importante, et inversement d’un faible couplage résulte une faible masse.
Rémi Perrier
