Les physiciens du CERN ont annoncé ce mercredi avoir découvert une nouvelle particule élémentaire qui pourrait être le fameux boson de Higgs.
Cette particule qu'ils traquent depuis des décennies est la pierre angulaire de la théorie des particules élémentaires, dite du "modèle Standard" présenté ci-dessus. Le nouveau boson H° présente une énergie de masse de 125.3 ± 0.6 GeV.
"Nous avons franchi une nouvelle étape dans notre compréhension de la nature", a déclaré le directeur général du CERN. "La découverte d'une particule dont les caractéristiques sont compatibles avec celles du boson de Higgs (...) ouvre la voie à des études plus poussées, exigeant davantage de statistiques, qui établiront les propriétés de la nouvelle particule", a-t-il expliqué. "Elle devrait par ailleurs lever le voile sur d'autres mystères de notre Univers", a-t-il ajouté.
Découverte à confirmer
Le porte-parole d'une des deux équipes de chercheurs ayant participé à l'expérience a déclaré devant des personnes réunies au CERN : "C'est un résultat provisoire, mais nous pensons qu'il est très solide". "Nous avons observé un nouveau boson [mais] nous avons besoin de davantage de données" pour vérifier qu'il s'agit bien du boson de Higgs, a déclaré Joe Incandela du Caltech lors d'un séminaire scientifique organisé au CERN.
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Bosons et fermions
L'analogie avec le champ de neige décrite dans la vidéo est parfaite. Mais donnons encore une autre explication pour une meilleure compréhension.
Dans le modèle Standard des particules élémentaires, il existe deux de types de particules : les bosons et les fermions. Les fermions représentent la matière (les atomes, les molécules). Ils sont divisés en deux familles, les leptons relativement légers (de faible énergie) comme l'électron et les quarks beaucoup plus lourds (qui constituent les protons et neutrons).
Les bosons véhiculent les interactions (champ électromagnétique, interaction faible, interaction forte, gravitation) entre les fermions.
Bosons et fermions se différencient essentiellement par une propriété quantique, leur spin ou état de rotation, qui leur confèrent des propriétés totalement différentes : le photon par exemple, le boson qui transporte le champ électromagnétique (les rayonnements y compris la lumière) n'a pas de masse et son champ peut s'imbriquer dans un autre champ électromagnétique. Ainsi deux couleurs peuvent se mélanger.
A l'inverse les fermions ne peuvent pas s'imbriquer : deux verres se superposent mais jamais ils peuvent fusionner si on ne modifie pas leurs propriétés physiques (en les fondant).
Les bosons sont donc des particules très particulières qui expliquent notamment la cohésion des quarks dans les fermions, l'effet de la gravité, la désintégration des atomes instables et la masse de repos des particules.
C'est ici qu'apparaît le boson de Higgs, H°. Ainsi que le résume très bien John Ellis, il faut imaginer que le vide de l'Univers n'est pas réellement vide; il est rempli d'un champ d'énergie qui interagit avec la matière au niveau subatomique. Invisible à l'oeil nu, il s'agit des champs de Higgs constitués de particules appelées les bosons de Higgs. L'existence du boson de Higgs permet aux autres particules d'acquérir leur masse.
Imaginez que l'univers soit une piscine remplie d'eau, ces gouttes d'eau représentant les bosons de Higgs.
Une petite ogive très bien profilée peut raidement traverser ce champ d'eau sans faire de remous à l'instar du photon qui n'a pas de masse. Un petit poisson nage dans ce milieu en créant peu de turbulences tandis qu'un homme nageant dans cette eau va déplacer énormément d'eau pour ne pas s'enfoncer et couler; il y a une interaction entre toutes ces particules d'eau et ces corps qui leur donnent certaines caractéristiques.
En physique c'est pareil: les électrons sont plus légers que les quarks par exemple et n'ont pas la même durée de vie selon leur confinement. Pourquoi ? Parce que c'est à travers une interaction avec un mécanisme de Higgs que ces particules se sont vues dotés d'une certaine portée, d'une certaine durée de vie et d'une certaine (énergie de) masse.
Les mécanismes de Higgs
L'analogie avec le champ de neige décrite dans la vidéo est parfaite. Mais donnons encore une autre explication pour une meilleure compréhension.
Dans le modèle Standard des particules élémentaires, il existe deux de types de particules : les bosons et les fermions. Les fermions représentent la matière (les atomes, les molécules). Ils sont divisés en deux familles, les leptons relativement légers (de faible énergie) comme l'électron et les quarks beaucoup plus lourds (qui constituent les protons et neutrons).
Les bosons véhiculent les interactions (champ électromagnétique, interaction faible, interaction forte, gravitation) entre les fermions.
Bosons et fermions se différencient essentiellement par une propriété quantique, leur spin ou état de rotation, qui leur confèrent des propriétés totalement différentes : le photon par exemple, le boson qui transporte le champ électromagnétique (les rayonnements y compris la lumière) n'a pas de masse et son champ peut s'imbriquer dans un autre champ électromagnétique. Ainsi deux couleurs peuvent se mélanger.
A l'inverse les fermions ne peuvent pas s'imbriquer : deux verres se superposent mais jamais ils peuvent fusionner si on ne modifie pas leurs propriétés physiques (en les fondant).
Les bosons sont donc des particules très particulières qui expliquent notamment la cohésion des quarks dans les fermions, l'effet de la gravité, la désintégration des atomes instables et la masse de repos des particules.
C'est ici qu'apparaît le boson de Higgs, H°. Ainsi que le résume très bien John Ellis, il faut imaginer que le vide de l'Univers n'est pas réellement vide; il est rempli d'un champ d'énergie qui interagit avec la matière au niveau subatomique. Invisible à l'oeil nu, il s'agit des champs de Higgs constitués de particules appelées les bosons de Higgs. L'existence du boson de Higgs permet aux autres particules d'acquérir leur masse.
Imaginez que l'univers soit une piscine remplie d'eau, ces gouttes d'eau représentant les bosons de Higgs.
Une petite ogive très bien profilée peut raidement traverser ce champ d'eau sans faire de remous à l'instar du photon qui n'a pas de masse. Un petit poisson nage dans ce milieu en créant peu de turbulences tandis qu'un homme nageant dans cette eau va déplacer énormément d'eau pour ne pas s'enfoncer et couler; il y a une interaction entre toutes ces particules d'eau et ces corps qui leur donnent certaines caractéristiques.
En physique c'est pareil: les électrons sont plus légers que les quarks par exemple et n'ont pas la même durée de vie selon leur confinement. Pourquoi ? Parce que c'est à travers une interaction avec un mécanisme de Higgs que ces particules se sont vues dotés d'une certaine portée, d'une certaine durée de vie et d'une certaine (énergie de) masse.
Les mécanismes de Higgs
C'est en 1964 que le physicien britannique Peter Higgs avait postulé l'existence du boson qui porte son nom, avec ses collègues belges Robert Brout, François Englert et consorts.
Cette particule symbolisée par H° explique la séparation spontanée des interactions fondamentales de la nature et l'existence des particules massives. Elle doit tenir compte de la masse de certains bosons vecteurs (interaction forte des gluons, interaction faible W et Z°,...) et de la portée de leur interaction.
Par exemple, la théorie électrofaible qui met en jeu des forces de jauge prédit que les bosons de Higgs sont à l'origine de la masse des bosons vecteurs de l'interaction faible tout en délestant le photon de la sienne.
Le mécanisme de Higgs permettrait de briser spontanément la symétrie électrofaible 10^-10 seconde après le Big Bang (en donnant naissance à l'interaction électromagnétique et l'interaction faible).
C'est justement la période que permet d'étudier le collisionneur du LHC du CERN.
Un mécanisme identique se serait produit plus tôt encore, au moment de la « Grande Unification », déclenchant l'inflation de l'Univers.
Le pouvoir des mathématiques
La découverte du boson de Higgs représente une découverte majeure et un pas crucial pour valider le modèle Standard. Sa découverte à peine 50 ans après son invention et du vivant de son inventeur était inespérée.
Ceci dit, il ne s'agit pas réellement d'une découverte en soi mais d'une vérification expérimentale d'une découverte théorique. Mais cela prouve que l'être humain est capable d'imaginer des théories avant même d'observer la réalité physique des évènements qu'il décrit. A travers l'usage des mathématiques, notre pouvoir de prédiction est très fécond et à ce titre les mathématiques méritent un grand respect.
Comme le disait Paul Dirac à un élève qui se demandait pourquoi il regardait ainsi une formule inscrite sur le tableau noir : "Je regarde cette équation car elle sait beaucoup plus de choses sur le monde que moi".
Pour l'anecdote, Stephen Hawking a perdu son pari (100$), lui qui croyait qu'on ne découvrirait jamais le boson de Higgs. Comme quoi tout le monde peut se tromper !
A écouter sur ce blog : La musique électronique du LHC.
Pour plus d'informations
Consultez le site Luxorion, notamment l'article sur les particules élémentaires et le blog Résonaances (en anglais) consacré à la physique quantique et l'astrophysique.
Dernière nouvelle
14 mars 2013 : Le CERN a confirmé que "les résultats préliminaires indiquent que la nouvelle particule aurait les caractéristiques du boson de Higgs prévu par le Modèle Standard". En d'autres termes, le CERN confirme pratiquement avoir découvert le boson de Higgs !
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