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Près de 50 ans après sa prédiction, les physiciens des particules ont enfin capturé le boson de Higgs. Le Comité Nobel a donc décerné le prix de physique de cette année à deux des théoriciens qui ont initié cette chasse aux particules. François Englert de l’Université libre de Bruxelles (ULB) et Peter Higgs de l’Université d’Edimbourg, au Royaume-Uni, ont dérivé indépendamment un modèle expliquant pourquoi les particules ne sont pas sans masse, et ce modèle nécessite l’existence du boson de Higgs. Les deux articles ont été publiés en 1964 dans Physical Review Letters.
Le boson de Higgs est la dernière pièce du modèle standard de la physique des particules à observer, après des décennies de recherche. En juin 2012, le CERN a annoncé en grande pompe que le Grand Collisionneur de Hadrons (LHC) de Genève avait découvert une particule ayant les bonnes propriétés d’être le boson de Higgs, ce qui signifiait que les chercheurs avaient confirmé une théorie fondamentale de la masse.
Le boson de Higgs ne donne techniquement pas de masse aux autres particules. Plus précisément, la particule est une manifestation quantifiée d’un champ (le champ de Higgs) qui génère de la masse par son interaction avec d’autres particules. Mais pourquoi la messe ne pouvait-elle pas être considérée comme une donnée ?
La réponse remonte à des travaux antérieurs en théorie quantique des champs. Les champs quantiques sont similaires à des champs plus familiers, comme les champs électriques et magnétiques. Mais les champs quantiques contiennent des états excités que nous observons comme des particules. Ces champs peuvent être divisés en champs de matière (dont les particules sont des électrons, des quarks, etc.) et des champs de force (dont les particules sont des photons, des gluons, etc.). À la fin des années 1940, les théoriciens ont montré qu’une théorie quantique des champs des photons et des électrons pouvait expliquer avec succès les interactions électromagnétiques à haute énergie.
Cependant, la théorie avait du mal à modéliser les interactions nucléaires. La courte portée de la force nucléaire faible impliquait que ses particules correspondantes avaient une masse, contrairement au photon sans masse, la particule associée aux champs électromagnétiques. Le simple fait de coller une masse sur une particule porteuse de force a eu des effets désastreux, faisant diverger certaines prédictions à l’infini. Au début des années 1960, les théoriciens étaient occupés à chercher d’autres moyens d’introduire la masse dans la théorie.
La solution formulée par Higgs, Englert et Robert Brout (qui a travaillé avec Englert à l’ULB mais est aujourd’hui décédé) propose que tout l’espace soit rempli d’un champ qui interagit avec les particules de force faible pour leur donner de la masse. Il le fait parce que le champ est supposé ne pas être nul dans l’espace vide. Cet état fondamental non nul viole une symétrie considérée comme fondamentale pour la théorie quantique des champs. Des travaux antérieurs avaient montré que ce type de rupture de symétrie conduisait à une particule sans masse et sans spin qui était exclue par des expériences. Englert, Brout et Higgs ont montré comment on pouvait faire disparaître cette particule indésirable en couplant le champ de remplissage d’espace au champ de force faible. Lorsqu’ils ont élaboré toutes les interactions, ils ont constaté que les particules de force avaient effectivement une masse et que la particule indésirable, sans masse et sans spin était essentiellement absorbée par les particules faibles. Ces particules ont ainsi acquis un troisième état de spin, et la seule particule sans spin restante était le boson de Higgs massif. Une théorie similaire a été développée par une troisième équipe de théoriciens la même année.
Des travaux ultérieurs ont montré que le mécanisme de Brout-Englert-Higgs (ou « mécanisme de Higgs”, en abrégé) pouvait donner de la masse non seulement aux particules faibles, mais aussi aux électrons, quarks et autres particules fondamentales. Plus une particule interagit fortement avec le champ de Higgs, plus elle est massive. Il est important de noter, cependant, que la majeure partie de la masse des particules composites, comme les protons, les noyaux et les atomes, ne provient pas du mécanisme de Higgs, mais de l’énergie de liaison qui maintient ces particules ensemble.
« Brout, Englert et Higgs ont présenté une idée très intelligente, maintenant connue sous le nom de mécanisme de Higgs”, explique Michael Turner de l’Université de Chicago. « Il fournit une explication à l’une des questions les plus simples que l’on puisse se poser: pourquoi les particules ont-elles une masse? Une question si simple – mais très profonde – que beaucoup ne pensent même pas à la poser. »Pour valider ce mécanisme, les physiciens des particules ont construit le LHC, la machine la plus grande et la plus sophistiquée technologiquement jamais construite, explique Joseph Incandela, porte-parole de l’expérience CMS, qui était l’un des détecteurs qui ont repéré le boson de Higgs. « Je pense que les gens regardent cela et sentent que la physique des particules a réussi quelque chose comme un alunissage ici », dit-il.
– Michael Schirber
Michael Schirber est un éditeur correspondant pour la physique basé à Lyon, en France.
- J. Goldstone, « Field theories with Supraconductor Solutions », Nuovo Cimento 19, 154 (1961); J. Goldstone, A. Salam et S. Weinberg, ”Broken Symmetries », Phys. Rev. 127, 965 (1962)
- G. S. Guralnik, C. R. Hagen et T. W. B. Kibble, « Lois mondiales de conservation et particules sans masse », Phys. Rév. Lett. 13, 585 (1964)
Plus d’informations
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