Les mystères du boson de Higgs

Here is the third episode of my introductory series on particle physics in French, in which I will discuss the mysteries hidden behind the Higgs boson. For my non-French-speaking readers, an English version of this article is also available.

Et voilà, il est temps de continuer ma série d’articles sur la physique des particules en français.

Ce coup-ci, après avoir parlé de la structure de la matière et des interactions fondamentales, je vais me concentrer sur le boson de Higgs.

Le même qui a donné lieu au prix Nobel de physique en 2013.

Et légèrement en avance: bonne année à tous!

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LE SUCCES DES THEORIES DE JAUGE

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Dans l’article précédent, j’ai introduit les interactions élémentaires et leur lien au concept de symétries de jauge. Chaque interaction fondamentale découle ici d’une symétrie et est modélisée par l’échange de particules appelées bosons de jauge.

Nous avons ainsi le photon responsable pour la médiation de l’électromagnétisme, les bosons W et Z pour les interactions faibles et les gluons pour l’interaction forte. La gravité est par contre absente, pour deux raisons. Tout d’abord, ses effets sont négligeables aux échelles d’énergie sondées par tous les phénomènes que nous pouvons observer actuellement, et ensuite parce que nous ne savons pas comment faire pour l’inclure dans le Modèle Standard de la physique des particules.

Les prédictions des théories de jauge ont été confrontées aux données depuis environ 50 ans, et nous avons obtenu un excellent accord entre théorie et expérience. On parle en effet de milliers de mesures pour lesquelles pas l’ombre d’une déviation (significative) a été observée.

Une illustration de cet accord est donnée à droite, où la taille des bandes représentées sur la figure indique, pour diverses quantités, la différence entre théorie et expérience. Cette différence est exprimée en déviations standards, et nous parlons d’un phénomène nouveau potentiel pour 3 sigmas (1 chance sur 370398 que cela ne soit rien du tout) et d’une découverte pour 5 sigmas (1 chance sur 1744278 que cela ne soit rien du tout).

Pour le fun, il faut noter que d’autres domaines scientifiques parlent de 2 sigmas pour caractériser une découverte (soit 1 chance sur 20 pour que cela ne soit rien du tout).

Pour cette raison, le Modèle Standard est reconnu comme le modèle décrivant le monde des particules élémentaires. En conclusion, nous pouvons dire que les symétries de jauge permettent d’expliquer quasi toutes les observations. Le ‘quasi’ a son importance: les symétries de jauge prédisent aussi que les particules (et en particulier les bosons vecteurs des interactions fondamentales) sont sans masse… Ce qui est contraire aux observations.

Le cruel dilemme est que nous ne voulons pas enterrer les théories de jauge au cimetière, car elles fonctionnent vachement bien (mis à part le petit détail de la masse). Que faire alors?

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LA SUPERCONDUCTIVITE A LA RESCOUSSE

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Dans les années 1960s, Philip Anderson, l’un des experts mondiaux de la superconductivité, a observé que lorsqu’une théorie incluait à la fois une symétrie de jauge et un mécanisme de brisure spontanée de cette symétrie de jauge, les bosons de jauge devenaient massifs.

Ce mécanisme, une fois que la relativité restreinte est incluse, est ce qui est communément appelé en physique des particules le mécanisme de Brout-Englert-Higgs. Il a fallu attendre 2 ans après Anderson pour arriver à appliquer la brisure spontanée de symétrie au Modèle Standard (voir l’article de François Englert and Robert Brout, et celui de Peter Higgs).

Mais qu’est-ce que la brisure spontanée de symétrie?

On peut l’expliquer de façon simple et imagée avec un crayon (voir l’image à gauche).

Dans la sous-figure de gauche, le crayon tient debout, verticalement. Si on le lâche, il tombe (sous-figure de droite).

Avant qu’il ne soit lâché, le crayon peut tomber n’importe où dans le cercle gris. L’ensemble des solutions présente donc une symétrie de révolution autour de l’axe vertical. C’est notre symétrie de jauge.

Par contre, une fois que le crayon est tombé, une solution a été choisie et la symétrie est perdue. On dit que la symétrie est brisée spontanément.

En résumé, nous avons une symétrie par rapport à un ensemble de solutions (toutes les façons pour notre crayon de tomber), mais la nature choisit une solution particulière (le crayon est tombé d’une façon bien précise) et brise ainsi la symétrie.

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LE REGNE DU BOSON DE HIGGS - LE STATUT ACTUEL

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Le Modèle Standard est une théorie quantique des champs. Par conséquent, sa construction met en jeu des champs quantiques dont les particules et antiparticules sont des excitations. Afin de réaliser la brisure spontanée de symétrie mentionnée ci-dessus et avoir des particules massives, il suffit d’ajouter un champ unique, un champ scalaire appelé le champ de Higgs.

Ce champ est auto-interagissant, de sorte que le boson de Higgs interagit avec lui-même. Dans le Modèle Standard, ces auto-interactions sont modélisées par un potentiel. Et comme pour tout potential, la nature choisit un état dans lequel le potentiel est minimum.

Nous pouvons à présent faire le lien avec la section ci-dessus. Le potential scalaire du Modèle Standard présente une infinité de minima qui satisfont une certaine symétrie (notre cercle gris sous le crayon ci-dessus). Ensuite, la nature choisit son minimum et brise ainsi la symétrie de jauge (le crayon tombe).

Cela induit plusieurs conséquences. Tout d’abord, les bosons faibles W et Z deviennent massifs. Ensuite, le champ de Higgs peut interagir avec les particules du secteur de la matière (les quarks et leptons du Modèle Standard) et leur fournir une masse. Mais il y a un prix à payer à tout cela. Le champ de Higgs induit une particule supplémentaire: le boson de Higgs.

On peut se demander si tout cela marche vraiment. Et bien, pour le moment, les données donnent raison au Modèle Standard. Le boson de Higgs est observé avec les bonnes propriétés, telles que prédites dans le Modèle Standard.

La figure ci-dessus est l’une des mesures ayant permis la découverte du boson de Higgs en 2012. CMS a étudié ici des collisions du LHC dans lesquels deux photons ont été produits. La ligne en pointillé correspond aux prédictions obtenues lorsque l’on ignore le boson de Higgs, et la ligne rouge correspond aux observations. Nous pouvons voir avec nos yeux la contribution (la petite bosse au milieu) du Higgs.

Aujourd’hui (soit 5 ans plus tard), nous avons des mesures encore plus précises d’ATLAS et de CMS et tout laisse à penser que le boson de Higgs observé en 2012 est pile poil celui du Modèle Standard.

Cependant, certaines propriétés du Higgs ne pourront jamais être précisément mesurées au LHC, de sorte que la porte vers de nouveaux phénomènes est toujours ouverte… La fin de l’histoire n’est donc pas pour tout de suite…

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