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Publié : 8 octobre 2013
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Pourquoi la particule de Higgs est importante

La plupart d’entre nous [1] ont appris à l’école ou dans les livres que toute la matière qui nous entoure — tout ce que nous mangeons, buvons ou respirons, toutes les créatures vivantes, et la terre elle-même — est constituée d’atomes. Il en existe environ cent sortes appelées « éléments chimiques », généralement assemblées pour former des molécules, tout comme les lettres s’assemblent pour former des mots.

Nous avons tendance à considérer pour acquis de tels faits concernant le monde, et pourtant ils faisaient encore l’objet de discussions animées à la fin du 19e siècle. Ce n’est que vers 1900, lorsque la taille réelle des atomes put finalement être établie au départ de multiples lignes de raisonnement et que l’électron, particule subatomique qui occupe l’espace dans la périphérie des atomes, fut découvert, qu’une nouvelle image atomique du monde fut mise en lumière.

À ce jour, cependant, certaines zones de cette image restent floues. Des énigmes vieilles d’un siècle sont toujours sans solution. Et le tohu-bohu que l’on entend à propos du « boson de Higgs » concerne les questions fondamentales de notre existence. Certaines de ces zones floues s’éclairciront peut-être bientôt, pour révéler, sur le monde, des détails que nous ne pouvons pas encore percevoir.

Nous avons appris à l’école que la masse de l’atome est fonction, principalement, de son noyau minuscule ; les électrons forment un large nuage autour du noyau et représentent moins d’un millième de la masse d’un atome. Cependant, ce que la plupart d’entre nous n’ont pas appris — du moins ceux qui n’ont pas suivi de cours universitaires de physique —, c’est que la taille d’un atome — la distance qui le traverse — dépend principalement de la masse de l’électron. Si l’on pouvait diminuer la masse de l’électron, on s’apercevrait que les atomes deviendraient plus grands, et beaucoup plus fragiles. En réduisant la masse de l’électron d’un facteur de plus de mille, on arriverait à des atomes d’une telle fragilité que même la chaleur résiduelle actuelle du Big Bang, qui lança notre univers, pourrait les briser. Partant, la structure même et la survie des matériaux ordinaires sont liées à une question apparemment ésotérique : pourquoi donc l’électron a-t-il une masse ?
Dès la première mesure, la masse de l’électron, et son origine, ont laissé les physiciens perplexes et troublés. Les nombreuses découvertes de particules apparemment élémentaires, faites au cours du siècle passé, ont compliqué et enrichi le puzzle. Il a été découvert tout d’abord que la lumière est, elle aussi, composée de particules élémentaires, les photons, qui n’ont pas de masse ; ensuite, on découvrit que les noyaux atomiques sont constitués de particules, les quarks, qui ont une masse ; et depuis peu, nous avons de fortes indications que les neutrinos, particules peu détectables qui coulent à flot du soleil, possèdent également une masse, même si elle est très petite. C’est ainsi que la question de l’électron s’intègre dans une question plus large : pourquoi des particules telles que les électrons, les quarks ou les neutrinos, ont-elles une masse, alors que les photons n’en ont pas ?

Au milieu du siècle passé, les physiciens ont appris à écrire les équations qui prédisaient et décrivaient le comportement des électrons. Même s’ils ne savaient pas d’où venait la masse de l’électron, ils n’ont eu aucune difficulté à introduire à la main la masse dans leurs équations, en se disant qu’une explication complète de son origine serait donnée plus tard. Mais alors qu’ils commençaient à en apprendre plus sur la force nucléaire faible2, une des quatre forces connues de la nature, un problème sérieux fit surface.

Les physiciens savaient déjà que les forces électriques sont liées aux photons, et ils réalisèrent alors que la force nucléaire faible est liée, de la même façon, aux particules dites « W » et « Z ». Cependant, les W et Z sont différentes du photon en ce qu’elles possèdent une masse — elles sont aussi massives qu’un atome d’étain, plus de cent mille fois plus lourdes que les électrons. Malheureusement, les physiciens s’aperçurent qu’ils ne pouvaient pas introduire à la main les masses des W et Z dans leurs équations, car celles-ci donnaient alors des prédictions insensées. Et lorsqu’ils examinèrent la manière dont la force nucléaire faible affectait les électrons, les quarks et les neutrinos, ils découvrirent que l’ancienne méthode utilisée pour introduire, à la main, la masse de l’électron ne fonctionnait plus ; elle aussi briserait les équations.
Des idées nouvelles allaient être nécessaires si l’on voulait expliquer comment les particules élémentaires connues pouvaient bien avoir une masse.

Ce dilemme apparut graduellement fin des années cinquante, début des années soixante. Une solution possible vit le jour dès le début des années soixante — et c’est ici que nous rencontrons Peter Higgs et les autres : Robert Brout et François Englert ; Gerald Guralnik, Carl Hagen et Tom Kibble. Ils suggérèrent ce qu’on appelle maintenant le « mécanisme de Higgs ». À supposer, disaient-ils, qu’il existe un champ de la nature inconnu à ce jour — comme tous les champs, une sorte de substance présente partout dans l’espace — qui ne soit pas zéro , distribué uniformément au travers de tout l’espace et du temps. Si ce champ — appelé à l’heure actuelle le champ de Higgs — était du bon type, sa présence ferait que les particules W et Z acquerraient une masse, et les physiciens pourraient replacer la masse de l’électron dans leurs équations — renvoyant toujours en cela à plus tard la question de savoir pourquoi la masse de l’électron est ce qu’elle est, mais permettant au moins d’écrire des équations dans lesquelles la masse de l’électron n’est pas zéro !

Au cours des années qui suivirent, l’idée du mécanisme de Higgs fut testée de différentes manières. Les études exhaustives des particules W et Z ont permis de savoir, aujourd’hui, que c’est la bonne solution à l’énigme posée par la force nucléaire faible. Quant aux détails, nous ne les connaissons pas du tout.
Qu’est-ce que le champ de Higgs, et comment le concevoir ? Il nous est aussi invisible et imperceptible que l’air ne l’est à l’enfant, ou l’eau au poisson ; en fait, il l’est même plus : au cours de notre croissance, nous apprenons à prendre conscience de la circulation d’air sur notre corps, telle qu’elle est détectée par le toucher ; par contre, aucun de nos sens ne nous permet de pénétrer le champ de Higgs. Et si nous n’avons pas le moyen de le détecter par nos sens, il nous est impossible de le détecter au moyen d’instruments scientifiques. Comment pouvons-nous, dès lors, espérer pouvoir affirmer qu’il existe vraiment ? Et comment pouvons-nous espérer pouvoir apprendre quoi que ce soit à son propos ?

L’analogie entre l’air et le champ de Higgs s’étend aussi à ceci : si l’un ou l’autre est perturbé, il vibrera et formera des ondes. Dans le cas de l’air, il est facile de faire des vagues — il suffit de crier ou de battre des mains pour que l’oreille détecte facilement ces vagues sous forme de son. Il est plus difficile de créer des ondes dans le cas du champ de Higgs, et elles sont plus difficiles à observer. Leur création requiert l’utilisation d’un accélérateur de particules géant, le Large Hadron Collider ou LHC, au laboratoire du CERN, non loin de Genève, en Suisse, et leur détection requiert l’utilisation d’instruments scientifiques de la taille d’un bâtiment, qui ont pour nom ATLAS et CMS.
Comment cela est-il mis en œuvre ? Le battement de mains provoque des ondes sonores puissantes. Le choc de deux protons très énergétiques produit au moyen du LHC peut provoquer des ondes de Higgs très douces et de manière très peu certaine — seule une collision environ sur dix milliards le fera. La vague créée est la vague la plus douce possible du champ de Higgs (techniquement, un seul « quantum » de ce type de vague). Cette vague la plus douce possible est appelée « particule de Higgs » ou « boson de Higgs ».
Il arrive que les médias l’appellent « particule de Dieu ». Ce terme fut inventé par un éditeur aux fins de vendre un livre et trouve donc son origine dans la publicité et non dans la science ni dans la religion. Les scientifiques n’utilisent pas ce terme.

La création de la particule de Higgs est la partie relativement facile du processus ; sa détection est la partie difficile. Alors qu’une onde sonore voyage librement des mains au travers de la pièce vers l’oreille d’un autre, la particule de Higgs se désintègre en d’autres particules plus rapidement que vous ne pourriez prononcer « boson de Higgs »… en fait, en moins de temps qu’il ne faut à la lumière pour traverser un atome. Tout ce qu’ATLAS et CMS peuvent faire est mesurer les débris issus de l’explosion de la particule de Higgs aussi minutieusement que possible et tenter d’aller à rebours — à la manière des détectives qui se servent d’indications pour élucider un crime — pour déterminer si une particule de Higgs pourrait être à l’origine de ces débris.
Et, en fait, c’est encore plus difficile. Il ne suffit pas de créer une particule de Higgs. En effet, ses débris ne sont pas assez caractéristiques ; souvent, la collision de deux protons crée autrement des débris qui ressemblent à ce qui pourrait être produit par la fragmentation d’une particule de Higgs. Comment, dès lors, pouvons-nous espérer pouvoir déterminer que des particules de Higgs ont été formées ? La clé réside dans le fait que les particules de Higgs sont rares, mais que leurs débris ont une apparence relativement régulière, alors que les autres processus sont plus communs mais plus aléatoires ; et tout comme l’oreille est capable de distinguer graduellement l’intonation chantante d’une voix humaine malgré un fort bruit de fond à la radio, les chercheurs arrivent à distinguer le son régulier du champ de Higgs dans la cacophonie aléatoire créée par les autres processus d’aspect semblable.
Mener à bien cette entreprise est extrêmement complexe et difficile. Pourtant, l’ingéniosité humaine collective a triomphé et cela a été fait.
Pourquoi cette tâche herculéenne a-t-elle été entreprise ? Parce que l’importance profonde du champ de Higgs pour notre existence même est à la mesure de notre ignorance profonde de son origine et de ses propriétés. Nous ne savons même pas s’il n’y a qu’un tel champ ; il pourrait y en avoir plusieurs. Il se peut que le champ de Higgs soit une chose compliquée, elle-même issue d’autres champs. Nous ne savons pas pourquoi il n’est pas zéro, et nous ne savons pas pourquoi il se comporte différemment avec des particules différentes, en donnant à l’électron une masse très différente de