Qu’est-ce que le boson de Higgs ?
Pour répondre à cette question, il faut plonger dans le monde quantique et comprendre comment les particules interagissent...
La particule que nous appelons aujourd’hui « boson de Higgs » a été mentionnée pour la première fois dans un article scientifique rédigé par Peter Higgs en 1964. À cette époque, des physiciens tentaient de décrire la force faible – l'une des quatre forces fondamentales de la nature – à l'aide d'un cadre appelé « théorie quantique des champs ».
Une particule, une onde ou les deux ?
D’après la théorie quantique des champs, le monde microscopique des particules est très différent du monde tel que nous le voyons. Les « champs quantiques » fondamentaux remplissent l’Univers et dictent ce que la Nature peut et ne peut pas faire. Selon cette description, chaque particule peut être représentée par une onde dans un « champ », comparable à une vaguelette formée sur la surface d’un vaste océan. Le photon est un bon exemple, car cette particule de lumière est une onde dans un champ électromagnétique.
Porteuses de force
Lorsque les particules interagissent entre elles, elles échangent des particules « porteuses de force ». Ce sont des particules, mais elles peuvent également être décrits comme des ondes dans leurs champs respectifs. Par exemple, lorsque deux électrons interagissent, ils le font en échangeant des photons – les photons sont les particules porteuses de force de l’interaction électromagnétique.
Symétrie
Une autre caractéristique importante des particules est la symétrie. Une forme peut être qualifiée de symétrique si elle reste identique lorsqu’on la fait pivoter ou qu’on la retourne ; cette propriété existe par analogie dans les lois de la nature.
Par exemple, la force électrique entre des particules ayant une charge électrique égale à 1sera toujours la même, qu’il s’agisse d’un électron, d’un muon ou d’un proton. Ces symétries constituent la base de la théorie et définissent sa structure.
Le mécanisme de Brout-Englert-Higgs
La théorie quantique des champs constituait déjà la base de l’électrodynamique quantique, qui offrait une description très efficace de l’interaction électromagnétique. Il était impossible, en revanche, d’appliquer cette approche à l’interaction faible, car alors, selon la théorie, les particules ne pouvaient pas avoir de masse.
En particulier, les particules porteuses de la force faible, connues sous le nom de bosons W et Z, devaient être dépourvus de masse, faute de quoi une symétrie fondamentale de la théorie serait brisée et cette dernière ne pourrait plus fonctionner. Or cette condition posait un problème de taille : les particules porteuses de la force faible devaient nécessairement avoir une masse pour que l’hypothèse de la portée très courte de l’interaction faible reste cohérente.
La solution à ce problème a été apportée par le mécanisme de Brout-Englert-Higgs. Ce mécanisme repose sur deux éléments principaux : un champ quantique entièrement nouveau et un ajustement ingénieux. Le nouveau champ en question est ce que nous appelons aujourd’hui le champ de Higgs. Quant à l’ajustement, il s’agit de la brisure spontanée de symétrie.
On envisage une symétrie, présente dans les équations d’une théorie, mais rompue dans le système physique. Imaginez un crayon posé à la verticale sur sa mine, au centre d’une table. Il s’agit d’une situation parfaitement symétrique, mais qui ne dure qu’un court instant, car le crayon va immédiatement briser la symétrie en tombant d’un côté ou d’un autre. Les lois de la nature, elles, restent inchangées, car le côté duquel tombera le crayon n’est pas prédéfini. Ainsi, le phénomène de rupture de la symétrie se produit sans remettre en question la symétrie de la physique.
En ce qui concerne la masse des particules, voici ce qui se passe : à sa naissance, l’Univers était rempli du champ de Higgs dans un état instable, mais symétrique. Une fraction de seconde après le Big Bang, le champ a trouvé une configuration stable, mais la symétrie initiale s’est brisée. Dans cette configuration, les équations restent symétriques, mais la symétrie brisée du champ de Higgs confère leur masse aux bosons W et Z.
Comme cela s’est vérifié plus tard, d’autres particules élémentaires acquièrent également leur masse en interagissant avec le champ de Higgs, ce qui donne aux particules les propriétés que nous leur connaissons aujourd’hui.
Le boson de Higgs
C’est là qu’intervient le boson de Higgs. Si toutes les particules peuvent être représentées comme une onde dans un champ quantique, l’introduction d’un nouveau champ dans la théorie signifie qu’une particule associée à ce champ doit aussi exister.
La plupart des propriétés de cette particule sont décrites dans la théorie. Par conséquent, la découverte d’une particule correspondant à cette description constitue un indice probant susceptible de valider le mécanisme de Brout-Englert-Higgs. Dans le cas contraire, nous n’aurions aucun moyen confirmer l’existence du champ de Higgs.
Vous l’aurez deviné, cette particule, c’est le boson de Higgs ! Sa découverte en 2012 a permis de valider le mécanisme de Brout-Englert-Higgs et le champ de Higgs, offrant ainsi aux chercheurs la possibilité de poursuivre leur exploration de la matière.
Il est crucial d’étudier en détail les propriétés du boson de Higgs pour pouvoir tenter d’élucider les nombreuses énigmes de la physique des particules et de la cosmologie, qui vont de la grande disparité des masses des particules élémentaires au destin ultime de l’Univers.