Le boson de Higgs : la fin d’une traque

Le CERN, l’Organisation européenne pour la recherche nucléaire, vient d’annoncer le 4 juillet 2012 la mise en évidence d’une” particule compatible avec le boson de Higgs” prédit par le modèle Standard. La masse de cette particule instable qu’on a pu cerner par l’observation de ses désintégrations est de 125.6 Gev, soit une masse de 134 fois la masse du proton. Les deux expériences indépendantes  du CERN, ATLAS et CMS (Compact Muon Solenoid) ont vu converger leurs résultats.


Figure 1. Le gigantesque détecteur de l'expérience Atlas. Crédit CERN.

Figure 1. Le gigantesque détecteur de l’expérience Atlas. Crédit CERN.

Dans ce qu’on appelle le modèle Standard créé par les physiciens depuis le siècle dernier, l’Univers a douze constituants de base , les particules fondamentales:

6 Quarks, l’up et le  down, le charm et le strange le top et le bottom;

6 leptons, trois chargés électriquement , l’électron, le muon et le tau,

trois neutres, les neutrinos c , µ et τ respectivement.

Figure 2. Les douze constituants de base de l'univers.  Crédit CERN

Figure 2. Les douze constituants de base de l’univers.  Crédit CERN

Avec ces douze particules et quatre forces fondamentales: la force forte, la force faible, la force électromagnétique et la force gravitationnelle,  la théorie physique doit rendre compte du monde qui nous entoure.

La force faible et la force forte agissent au niveau des particules subatomiques et n’ ont qu’une une portée très limitée. La force électromagnétique et la gravité ont  une portée infinie;

Pour chacune des forces fondamentales, il existe des particules, dites de champ, supports de ces forces. Ce sont des bosons.

 

Le modèle Standard prédit  6 bosons élémentaires:

-les quatre bosons de jauge(photon, gluon,  W±, Z)

-le boson de Higgs

-le graviton

 

La  force forte est véhiculée par le gluon, la force électromagnétique par le photon, tandis que les bosons W et Z sont responsables de la force faible. Bien qu’il n’ait pas toujours pas  été observé, le « graviton » devrait être la particule porteuse de la gravité.

Dans les années 1970, les physiciens ont constaté que la force faible et la force électromagnétique était de même nature et résultait de la séparation en deux  d’une seule force, la force électrofaible,  au moment de la formation de l’univers (Big Bang).

Mais la théorie exigeait que les particules supports des forces n’aient pas de masse. Or ce n’était  pas le cas. On ne pouvait expliquer pourquoi le photon n’avait pas de masse alors que les bosons W et Z en avait une.

Les physiciens Peter Higgs, Robert Brout et François Englert ont proposé à ce problème la solution suivante:

Juste après le Big Bang, aucune particule n’avait de masse. Lorsque l’Univers a refroidi et que la température est tombée en-dessous d’un seuil critique, un champ de force invisible appelé « champ de Higgs » s’est formé en même temps que le boson de Higgs, particule qui lui est associée. L’interaction avec ce champ répandu partout dans le cosmos permet aux particules d’acquérir une masse par l’intermédiaire du boson de Higgs. Plus les particules interagissent avec le champ de Higgs, plus elles deviennent lourdes. Au contraire, les particules qui n’interagissent pas avec ce champ ne possèdent aucune masse.

Figure 3.Simulation de la désintégration d'un boson de Higgs en 4 muons.<br />Cette image est la reconstitution d'un événement enregistré par les détecteurs de l'expérience ATLAS. Crédit CERN.

Figure 3.Simulation de la désintégration d’un boson de Higgs en 4 muons.
Cette image est la reconstitution d’un événement enregistré par les détecteurs de l’expérience ATLAS. Crédit CERN.

Et l’observation dévoilée par le CERN  le mercredi 4 juillet après vingt ans d’efforts, vient  confirmer la  théorie. La nouvelle particule interagit avec d’autres particules comme le modèle standard le prédit pour le boson de Higgs. Les chercheurs vont maintenant affiner par de nouvelles mesures la détermination de la masse et vérifier que la particule nouvelle a bien le  spin nul prévu par la théorie.

 

 

Pour en savoir plus: Site IN2P3