Boson de Higgs
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| Boson de Higgs | |
| Propriétés générales | |
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| Classification | Boson |
| Composition | Élémentaire |
| Groupe | Champ de Higgs |
| Propriétés physiques | |
| Masse | Probablement entre 115 et 130 GeV⋅c-2[1] |
| Charge électrique | 0 C |
| Spin | 0 |
| Durée de vie | Indéterminé |
| Historique | |
| Prédiction | François Englert, Robert Brout, Peter Higgs, Gerald Guralnik, C.R. Hagen, Thomas Kibble 1964
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| Découverte | Hypothétique |
Le boson de Higgs, parfois surnommé « particule-dieu » (ou abusivement « particule de Dieu », traduction incorrecte du surnom « God Particle » donné par Leon Lederman), est une particule élémentaire hypothétique dont l'existence permettrait d'expliquer la brisure de l'interaction unifiée électrofaible en deux interactions par l'intermédiaire du mécanisme de Brout-Englert-Higgs-Hagen-Guralnik-Kibble, proposé indépendamment en 1964 par Gerald Guralnik, C.R. Hagen et Tom Kibble[2],[3],[4], Robert Brout et François Englert[5], et Peter Higgs[6].
Le boson de Higgs, quantum du champ de Higgs, donnerait une masse non nulle aux bosons de jauge de l'interaction faible (bosons W et boson Z), leur conférant des propriétés différentes de celles du boson de l'interaction électromagnétique, le photon.
Bien qu'encore jamais observée, cette particule élémentaire est l'une des clefs de voûte du modèle standard de la physique des particules[7]. La connaissance de ses propriétés peut par ailleurs orienter la recherche au delà du modèle standard et ouvrir la voie à la découverte d'une nouvelle physique, telle que la supersymétrie ou la matière noire[8].
Sommaire |
[modifier] Un ou des boson(s) de Higgs ?
Le modèle standard de la physique des particules ne prédit l'existence que d'un seul boson de Higgs : on parle de « boson de Higgs standard ». Des théories au-delà du modèle standard, telles que la supersymétrie, autorisent l'existence de plusieurs bosons de Higgs, de masses et de propriétés différentes.
[modifier] Recherche expérimentale du boson de Higgs
La recherche du boson de Higgs est l'une des priorités du LHC, successeur du LEP au CERN, opérationnel depuis le 10 septembre 2008. L'état de la recherche en décembre 2011 ne permet toujours pas de conclure en l'existence du boson de Higgs, mais il est soutenu lors d'un séminaire organisé alors au CERN que sa masse, s'il existe, doit probablement se situer dans la gamme 116-130 GeV selon les expérimentations ATLAS et 115-127 GeV d'après celles du CMS[9]. Le LHC ou le Tevatron (collisionneur proton antiproton) pourraient découvrir un boson de Higgs qui satisfasse au modèle standard ou 5 bosons de Higgs (trois neutres et deux portant des charges électriques) selon la prédiction du modèle supersymétrique.
[modifier] Principe
L'existence du Higgs est trop brève pour qu'on le détecte directement : on ne peut espérer observer que ses produits de désintégration, voire les produits de ses produits de désintégration[10]. Des événements mettant en jeu des particules ordinaires peuvent en outre produire un signal similaire à celui produit par un boson de Higgs. Par ailleurs, une particule ne peut être observée dans un détecteur qu'à des énergies supérieures ou égales à sa propre masse[réf. nécessaire].
Enfin la complexité des phénomènes intervenant tant dans la production que dans la détection de ces bosons, conduisent à raisonner en termes de statistiques plutôt qu'en terme d'identification formelle à 100% du boson. Ainsi pour affirmer une découverte en physique des particules, la probabilité d'erreur doit être inférieure à 0,00003 %, correspondant à un écart type de 5 Sigma[11]. Une telle démarche statistique implique donc de provoquer un très grand nombre de collisions lors des expériences pour aboutir à ces niveaux de probabilité[12].
[modifier] Instruments et expériences
La mise en évidence directe de l'existence du boson de Higgs passe par l'utilisation de détecteurs spécifiques auprès d'accélérateurs de particules. Les expériences suivantes tentent ou ont tenté de détecter le boson de Higgs :
- au LEP (collisionneur électron-positon)
- ALEPH, DELPHI, L3 et OPAL. Pour la recherche du boson de Higgs, le LEP pèche par son énergie relativement faible. Le LEP a fonctionné de 1989 à 2000.
- au Tevatron (collisionneur proton-antiproton)
- D0 et CDF. Malgré son énergie maximale 7 fois plus faible que celle du LHC, le Tevatron permet un bruit de fond moins important pour les collisions, et le fait d'utiliser des collisions protons-antiprotons pourrait engendrer des événements spécifiques n'apparaissant pas dans des collisionneurs protons/protons tels que le LHC. Le Tevatron a fonctionné de 1983 à 2011.
- au LHC (collisionneur proton-proton)
- ATLAS et CMS. Le LHC fonctionne depuis 2009.
D'autres instruments, notamment des collisionneurs électrons-positons linéaires tels que l'International Linear Collider (ILC), dont la construction est programmée pour 2015, et le Compact Linear Collider (CLIC), actuellement en phase d'étude, pourraient permettre d'identifier plus facilement le boson de Higgs s'il existe et n'est pas découvert d'ici-là, et de mieux comprendre les mécanismes en jeu.
[modifier] Suggestions expérimentales
On a pensé un temps que le boson de Higgs avait été mis en évidence au LEP en 2000. La significativité statistique était cependant trop faible pour que cette mise en évidence soit assurée. Des études conduites en 2002 au LEP ont permis de conclure à une probabilité de 8 % pour que les événements observés s'expliquent sans faire intervenir le Higgs[13].
Les expériences CMS et ATLAS au LHC ont annoncé en décembre 2011 observer des excès cohérents autour de 124 à 126 GeV/c²[9]. Ces excès, inférieurs à trois déviations standards[réf. nécessaire], ne sont toutefois pas suffisamment significatifs statistiquement pour valider avec certitude la découverte du boson de Higgs. L'année 2012 pourrait permettre d'obtenir un nombre d'événements suffisants pour confirmer ou infirmer ces observations.
[modifier] Domaines d'exclusion
Les expériences passées et actuelles conduisent à exclure cette énergie au repos du boson de Higgs de certains intervalles :
- il est exclu avec un intervalle de confiance de 95 % par les dernières expériences s'étant déroulées au LEP qu'elle soit inférieure à 114,4 GeV/c² ;
- il est exclu à 95 % par les expériences CDF et D0 au Tevatron qu'elle soit comprise entre 156 et 177 GeV/c² ;
- il est exclu à 95 % (respectivement 99 %) par l'expérience CMS au LHC qu'elle soit comprise entre 127 et 600 GeV/c² (resp. 128 et 225 GeV/c²), et dans un intervalle similaire par l'expérience ATLAS.
Au-delà de plusieurs centaines de GeV/c², l'existence du boson de Higgs standard est quant à elle remise en question par la théorie.
La masse du boson de Higgs, s'il existe, est ainsi désormais supposée comprise entre 115 et 130 GeV/c².
[modifier] Le boson de Higgs et l'origine de la masse
Quel mécanisme, dans la théorie électrofaible, génère la masse des bosons W+, W- et Z° ? Pourquoi le photon n'acquiert-il pas de masse ? Les masses des fermions sont-elles reliées à ce mécanisme ? Pourquoi les masses des quarks sont-elles si différentes les unes des autres ? Pour apporter une réponse à ces questions, on introduit la notion de brisure de symétrie, dans la théorie électrofaible :
[modifier] Symétrie et brisure de symétrie
Les régularités dans le comportement des particules sont appelées symétries et elles sont étroitement reliées aux lois de conservation. La symétrie est aussi reliée au concept de l'invariance : si un changement effectué dans un système physique ne produit aucun effet observable, le système est dit invariant au changement, impliquant une symétrie (voir théorème de Noether).
L'unification électrofaible est fondée sur le concept que les forces sont générées par l'échange de bosons. Lorsqu'on dit qu'il existe une force entre deux fermions (spin 1/2), c'est aussi dire qu'ils sont en train d'échanger des bosons. Il faut à partir de là comprendre comment les bosons transmetteurs des forces fondamentales acquièrent une masse. Dans le cas de l'unification électrofaible, comment les bosons W± et Z° acquièrent-ils une masse alors que ce n'est pas le cas pour le photon ?
Les symétries de jauge requièrent que les transmetteurs de force (bosons de jauge) soient de masse nulle. Pour contourner le problème de la masse des bosons, Salam, Glashow et Weinberg ont dû inventer un mécanisme pour briser la symétrie de jauge permettant aux W± et Z° d'acquérir une masse. De tels mécanismes avaient été développés dans d'autres contextes par divers théoriciens : Yoshiro Nambu, Jeffrey Goldstone, Sheldon Glashow, Peter Higgs et Philip Anderson.
L'idée est de postuler l'existence d'un nouveau champ, qu'on surnomme champ de Higgs :
[modifier] Le champ de Higgs
Le champ de Higgs diffèrerait des autres champs en ce qu'à basse température (énergie), l'espace «préfèrerait» être rempli de particules de Higgs que de ne pas l'être. Les bosons W± et Z° interagissent avec ce champ (contrairement au photon), et avancent à travers l'espace comme s'ils se mouvaient dans une «mélasse» épaisse. De cette manière, ils acquièrent une masse effective. A haute température (énergie), les interactions dans le champ de Higgs sont telles que l'espace n'est plus rempli de cette mélasse Higgsienne (un peu comme si la température avait fluidifié la mélasse), les W± et Z° perdent leur masse et la symétrie entre les W±, Z° et le photon n'est plus brisée, elle est 'restaurée'. On dit qu'elle est manifeste.
La masse d'un fermion ou bosons ne serait donc qu'une manifestation de cette interaction des particules avec le champ de Higgs dans lequel elles 'baignent'.
Le champ de Higgs permet de préserver la symétrie à haute énergie et d'expliquer la brisure de la symétrie à basse énergie. Il est responsable de la masse des bosons électrofaibles, mais interagit aussi avec les fermions (quarks et leptons), qui acquièrent ainsi une 'masse'. Les plus légers sont les neutrinos -qu'on croyait jusqu'à récemment de masse nulle-, vient ensuite l'électron avec une masse de 0,511 MeV⋅c-2. Tout en haut de l'échelle vient le quark top, qui est de loin la particule élémentaire la plus lourde avec ses 175 GeV⋅c-2.
[modifier] Questions résiduelles
Les particules (bosons, fermions) acquièrent une masse à cause du champ de Higgs, mais pourquoi chaque particule acquiert-elle une masse différente, voire n'acquiert-elle pas de masse du tout comme dans le cas du photon ? Pourquoi la force de l'affinité des particules avec le champ de Higgs -ce qu'on appelle le couplage- est-elle si différente d'une particule à l'autre, et donc comment expliquer cette hiérarchie des masses ? Aujourd'hui, on ne connaît pas les réponses à ces questions, et la théorie du boson de Higgs ne permet pas d'y répondre seule.
[modifier] Sémantique
Higgs n'en revendiquant lui-même nullement la paternité, il est plus pertinent de nommer cette particule « boson BEH », pour Brout, Englert et Higgs[14], ou « boson scalaire massif »[15] ou encore « boson scalaire de brisure spontanée de symétrie (BSS) »[16].
[modifier] Références
- « Les collaborations ATLAS et CMS présentent l’avancement de leur recherche du Higgs », dans communiqué de presse du CERN, 13 décembre 2011 [texte intégral].
- G. Guralnik, « Global Conservation Laws and Massless Particles », dans Physical Review Letters, vol. 13, 1964, p. 585–587 [texte intégral, lien DOI]
- Gerald S. Guralnik, « The History of the Guralnik, Hagen and Kibble development of the Theory of Spontaneous Symmetry Breaking and Gauge Particles », dans International Journal of Modern Physics, vol. A24, 2009, p. 2601–2627 [texte intégral, lien DOI]
- Physical Review Letters - 50th Anniversary Milestone Papers
- F. Englert and R. Brout, « Broken Symmetry and the Mass of Gauge Vector Mesons », dans Physical Review Letters, vol. 13, 1964, p. 321-323 [lien DOI]
- P.W. Higgs, Phys. Rev. Lett. 13 (1964) 508.
- « Le boson de Higgs, une énigme de la physique en passe d'être résolue », FTVi, 14-12-2011.
- « Le boson de Higgs », cern.ch, 15-12-2011.
- (en) « ATLAS & CMS experiments present Higgs search status », cern.ch, 13-12-2011.
- Paul Colas, Boris Tuchming, Qui attrapera le Higgs ?, Les dossiers de La Recherche, n° 23, mai-juillet 2006, p. 20-27
- Qu'est-ce qu'un résultat significatif pour le boson de higgs ? Médiapart - 13/12/2011
- Selon les conventions en vigueur en physique des particules, l'annonce d'une découverte nécessite cinq déviations standards, ce qui correspond à une probabilité de 99,99994 %, trois déviations standards (probabilité de 99,73 %) ne permettant de conclure qu'à une « observation ».
- The LEP Working Group for Higgs Boson Searches, Conférence ICHEP'02, Amsterdam, juillet 2002.
- F. Englert, Dossier de La Recherche mai 2011 p. 30
- F. Englert and R. Brout, Phys. Rev. Lett. 13 (1964) 321.
- F. Englert, Dossier de La Recherche mai 2011 p. 28
[modifier] Voir aussi
- Champ de Higgs
- Théorie des supercordes.
- Accélérateur de particules.
- Large Hadron Collider (LHC)
- Graviton
[modifier] Liens externes
- Boson de Higgs, dossier Futura-sciences.
- Les enjeux scientifiques du LHC
- Site du CERN
- Qu'est-ce que la masse? article de la revue Élémentaire
- Vous trouverez sur ce lien des explications plus poussées au sujet de la physique des particules qui pourraient, grâce au LHC, voir apparaître ce champ de Higgs qui expliquerait pourquoi les particules acquièrent une masse. [1] [2] Ces documents expliquent la base du modèle standard des particules qui convient très bien à ce jour pour expliquer la composition en particules élémentaires et les interactions qui les régissent.
- [PDF] (en) La recherche des bosons de Higgs (Particle Data Group)
- Pourquoi rechercher le boson de Higgs ?, Conférence à la Cité des sciences de Michel Davier
[modifier] Bibliographie
- (fr) Brian Greene, La magie du Cosmos, traduit par Céline Laroche, Éditions Robert Laffront.
- Mathieu Grousson, Boson de Higgs, "La particule de Dieu" à portée de main, Science et Vie, pp 54-70, n° 1088, mai 2008
