Le boson de Higgs ou l’art d’expliquer le réel par l’impossible

26/08/2017
Auteurs : Etienne Klein
Publication REE REE 2011-5
OAI : oai:www.see.asso.fr:1301:2011-5:19569
DOI :

Résumé

Le boson de Higgs ou l’art d’expliquer le réel par l’impossible

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L es objets matériels qui nous entourent possèdent à l’évidence une masse, et celle-ci semble leur être consubstantielle- ment liée : nous éprouvons la même gêne à nous figurer ce que pourrait bien être un corps maté- riel sans masse qu’à imaginer une masse pure qui ne s’incarnerait pas en un corps. Tout se passe comme si, en notre esprit, les notions de matière et de masse al- laient toujours de pair, participaient l’une comme l’autre – à poids égal si l’on peut dire – de la même idée de « substance ». Mais il faut se méfier de ce type de raccourci. Car dans son déroulement moderne, la physique n’a cessé de plaider pour que les idées convaincantes, y com- pris les plus incontestables en apparence, soient sys- tématiquement interrogées, critiquées, testées. Depuis Galilée, n’a-t-elle pas plusieurs fois condamné un cer- tain sens commun au dépôt de bilan ? Et n’a-t-elle pas minutieusement révélé que des idées évidentes au point de sembler refléter la vérité n’étaient en réalité que de simples traces en notre esprit d’expériences de la vie courante ou de préjugés autoritaires ? Les leçons de la chute des corps Alexandre Koyré expliquait que le pari de la physi- que moderne, à rebours de celle d’Aristote, consiste à vouloir « expliquer le réel par l’impossible ». Il prenait l’exemple du principe d’inertie qui, pour comprendre l’amortissement du mouvement des corps que nous observons dans le monde empirique, nous prie d’en- visager l’idéal d’un mouvement qui ne s’amortit pas, le moment « inertiel », que personne n’observe jamais et qui semble de ce fait impossible. Il écrit précisément ceci : « Il n’est pas étonnant que l’aristotélicien se soit senti étonné et égaré par ce stupéfiant effort pour ex- pliquer le réel par l’impossible – ou ce qui revient au même pour expliquer l’être réel par l’être mathémati- que. Le concept galiléen du mouvement (de même que celui de l’espace) nous paraît tellement naturel que nous croyons même que la loi d’inertie dérive de l’ex- périence et de l’observation, bien que, de toute éviden- ce, personne n’ait jamais pu observer un mouvement d’inertie pour cette simple raison qu’un tel mouvement est entièrement et absolument impossible. […]. Nous ne sommes plus conscients du caractère paradoxal de sa décision de traiter la mécanique comme une bran- che des mathématiques, c’est-à-dire de substituer au monde réel de l’expérience quotidienne un monde géométrique hypostasié et d’expliquer le réel par l’im- possible ». Les véritables lois physiques contredisent en effet l’observation aussi bien que l’intuition, de sorte qu’elles semblent souvent absurdes au premier abord. Pour les saisir, il ne faut donc pas se fier à l’observation directe, en tout cas pas seulement à elle, mais met- tre sur pied une méthode permettant de les découvrir, inventer un moyen de trouer l’écran du sensible pour faire apparaître le plan intelligible qu’il recouvre. Au fin fond de la physique, on trouve donc l’idée, sans doute assez platonicienne, qu’il existe deux mon- des distincts : un premier monde fait de concepts, de lois mathématiques, dont l’agencement permet de comprendre les phénomènes physiques qui se dérou- lent dans le second monde, qui est le monde empi- rique. Parce qu’elles semblent dire le contraire de ce que nous observons, les lois physiques obligent à réin- terroger l’observation, à réinterpréter les faits. Voyez la chute des corps : les corps lourds tombent à l’évidence plus vite que les corps légers, et pourtant la loi de la chute des corps découverte par Galilée énonce que tous les corps tombent de la même façon… Comment comprendre que Galilée puisse avoir raison contre l’évi- dence empirique ? En changeant la lecture des faits ob- servés : la gravité fait chuter tous les corps de la même façon, indépendante de leur masse, mais s’ajoutent à elle des effets liés à la résistance de l’air qui, elle, n’agit pas de la même façon sur les corps lourds que sur les corps légers, ce qui explique pourquoi nous ne voyons pas les boules de pétanque tomber comme les balles de tennis. La compréhension de la chute des corps en est toute renversée. Le boson de Higgs ou l’art d’expliquer le réel par l’impossible L'article invité Etienne Klein 18 ◗ REE N°5/2011 L'article invité Qu’est-ce donc que la masse ? Il faut donc être prudent et considérer que s’interro- ger à propos de la nature de la masse, c’est peut-être poser une question moins stupide qu’elle en a l’air. Elle pourrait en effet, elle aussi, nous conduire à des renver- sements, nous mener en d’étranges contrées concep- tuelles que nous sommes incapables de dessiner par avance. On rétorquera que la masse est une propriété manifeste des objets, une notion triviale, dépourvue de mystère, une simple quantité à la fois mesurable – elle s’exprime en kilogrammes – et «  mesurante  » – elle quantifie la matière contenue dans un corps, sa « subs- tantialité » –. Que faudrait-il ajouter à cela ? L’alpha et l’oméga de la masse ne sont-ils pas contenus dans ces évidences ? À cette dernière question, la réponse de la physique contemporaine est négative. D’une part, parce que cette façon de présenter les choses est en réalité imprécise : à l’examen, la notion de masse apparaît très subtile. D’autre part, parce qu’elle ne prend pas en compte les travaux menés par certains argonautes de l’esprit, qui pourraient bientôt bouleverser notre compréhension de ce qu’est la masse : au lieu d’être une propriété des par- ticules élémentaires, une caractéristique qu’elles por- teraient en elles-mêmes, la masse pourrait apparaître comme n’étant qu’une propriété secondaire et indirecte des particules, résultant de leur interaction avec… le vide, qui n’est pas tout à fait vide ! En somme, les parti- cules pourraient n’avoir pas de masse proprement dite, seulement « faire comme si » elles en avaient une… Si cette affaire mérite un petit détour, c’est parce qu’elle illustre ce que la physique a de vraiment pas- sionnant : elle ne cesse de revisiter ses concepts fon- damentaux, les fait virevolter sur le dos agité du réel en tentant de les y maintenir le plus longtemps possible, jusqu’à ce qu’elle doive en modifier l’interprétation, au prix d’éventuelles déchirures au sein de son propre cor- pus. Un tel scénario est justement en train de se dessi- ner à propos de la masse, l’une des plus vieilles notions de la physique. Les étudiants posent souvent la question de savoir comment des particules sans masse, tel le photon, peuvent exister. Les physiciens, quant à eux, se posent la question exactement inverse : comment des parti- cules ont-elles pu acquérir de la masse ? Plus précisé- ment, ils essaient aujourd’hui de comprendre l’origine de la masse des particules en étudiant la manière dont celles-ci se propagent dans ce qu’ils appellent « le vide quantique », qui n’est plus un espace pur, encore moins un néant où rien ne se passe, mais un océan rempli de particules virtuelles capables, dans certaines circons- tances, d’accéder à l’existence. L’idée qu’ils explorent consiste à considérer que la masse des particules ne serait pas une propriété intrinsèque des particules el- les-mêmes… D’où vient que les particules élémentaires sont massives ? Pour traiter les interactions fondamentales, les physi- ciens utilisent ce qu’ils appellent le « modèle standard », un cadre théorique qui s’appuie sur un certain nom- bre de principes de symétrie très efficaces du point de vue des prédictions qu’ils permettent de faire. Mais ces principes élégants posent aussi un problème irritant. Ils impliquent en effet que les particules d’interaction1 doivent avoir… une masse nulle, c’est-à-dire n’opposer aucune résistance au mouvement ! C’est effectivement le cas du photon, le médiateur de l’interaction élec- tromagnétique, mais pas du tout celui des particules qui médiatisent l’interaction nucléaire faible  et qu’on appelle les W+ , W- et Z0 : leur masse, dûment mesurée, est très élevée (elle vaut près de cent fois la masse d’un proton). Cette contradiction flagrante entre la théorie et l’expérience aurait pu être rédhibitoire pour la théorie : comment, en effet, lui accorder du crédit si ses implications sont contredites par les faits ? Ne mériterait-elle pas qu’on la jette immédiatement aux oubliettes ? Mais c’est précisément au moment où pa- reille tentation surgit en notre esprit qu’il faut se souve- nir de la leçon de Galilée : une loi physique peut être exacte tout en énonçant le contraire de ce que nous observons ou mesurons. « Expliquer le réel par l’impos- sible »… Et de fait, la contradiction entre les prédictions du modèle standard, qui indiquent que les particules ne sauraient être massives, et le fait que les particules sont effectivement massives a pu être résolue au sein même du modèle standard, dans les années 1960. La solution, qui n’est encore que théorique, a été propo- sée par trois physiciens qu’on peut considérer comme de dignes héritiers du découvreur de la loi de la chute des corps : d’abord par deux Belges, François Englert et Robert Brout, puis, de façon indépendante, par un Écossais, Peter Higgs. Leur idée est que les particules 1 […] Alexandre Koyré, Etudes d’histoire de la pensée scientifique, Paris, PUF, 1966, p. 166. Pour qu’il y ait interaction entre deux particules, il faut que « quelque chose » soit échangé entre elles, quelque chose de substantiel. Ce « quelque chose » est un quantum, c’est-à-dire une particule caractéristique du champ asso- cié à l’interaction. En d’autres termes, une interaction ne s’exerce entre deux particules que par l’échange d’une troisième. La particule qui transporte l’in- teraction s’appelle, en termes savants, le « boson de jauge » de l’interaction. Il s’agit du photon pour l’interaction électromagnétique, des « bosons inter- médiaires » pour l’interaction nucléaire faible, et des gluons pour l’interaction nucléaire forte. REE N°5/2011 ◗ 19 L'article invité élémentaires de l’univers sont en réalité sans masse, mais heurtent sans cesse des « bosons de Higgs », pré- sents dans le vide quantique occupant tout l’espace, ce qui ralentit leurs mouvements de la même façon que si elles avaient une masse. Dans ce contexte, dire d’une particule qu’elle est très massive revient à dire qu’elle interagit très fortement avec le boson de Higgs, subit sans cesse des collisions tel un homme pressé qui traverse une foule compacte, ce qui lui confère une inertie apparente. Bien sûr, les particules qui, tel le photon, n’interagissent pas avec le boson de Higgs ne possèdent aucune masse. On devine qu’un étonnant raccourci relie la démarche de Galilée à celle de nos trois physiciens : le premier expliquait que c’est parce que les corps qui chutent ne tombent pas dans le vide mais interagissent avec l’air ambiant que nous ne les voyons pas tous choir avec la même vitesse ; les seconds racontent que c’est parce que les particules, qui sont toutes de masse nulle, inte- ragissent plus ou moins fortement avec le vide quanti- que qu’elles nous semblent avoir des masses différen- tes. Dans les deux cas, on explique que c’est à cause d’interactions qu’ont les objets avec leur environnement que nous leur attribuons des propriétés qu’en réalité ils ne possèdent pas, ou des comportements qu’ils n’auraient pas si cet environnement n’existait pas. Le problème est que personne n’a jamais observé le boson de Higgs lors d’une expérience pour confirmer cette théorie. Existe-t-il vraiment ? Le principal danger qui guette les théoriciens est, on le sait, de voir des fées au fond du jardin. Dès lors, comment détecter le boson de Higgs ? La difficulté principale vient de ce que cette particule responsable de la masse des particules semble être elle-même très… massive ! Pour espérer la détecter, il faut donc atteindre des niveaux d’énergie très élevés. Le LHC, juge de paix 2 Grâce au LHC, le « Large Hadron Collider » construit au CERN, à la frontière franco-suisse, et aux cent millions de collisions de particules par seconde qu’il est capable de produire, les physiciens peuvent désormais explorer toute la gamme de masses dans laquelle le boson de Higgs est censé se trouver. Si cette particule existe, le LHC finira donc par en apporter la preuve, et l’on pourra alors dire que nous avons compris l’origine de la masse des particules. Mais si ce boson s’avère introuvable, les physiciens auront le champ vraiment libre pour élaborer une théorie complètement nouvelle, par exemple en proposant qu’existent des dimensions supplémentaires d’espace, ou bien une nouvelle force, ou bien encore en faisant l’hypothèse que le boson de Higgs serait une particule non pas élémentaire mais composite. La messe de la masse n’est donc pas encore dite, mais grâce au LHC, on ne devrait pas trop tarder à pouvoir la célébrer, surtout si les idées de Peter Higgs et de ses col- lègues sont les bonnes… ■ Étienne Klein est physicien, directeur de recherches au CEA et docteur en philosophie des sciences. Il dirige actuelle- ment le Laboratoire de Recherche sur les Sciences de la Matière du CEA (LARSIM). Violons d’Ingres : alpinisme et anagrammes. NDLR : Nous remercions vivement Etienne Klein pour sa passionnante contribution. Nos lecteurs prendront également un grand plaisir à la lecture de ses ouvrages, parmi lesquels nous mentionnons les deux derniers, parus récemment : • Discours sur l’origine de l’univers (Flammarion, octobre 2010) consacré à la cosmologie contemporaine. • Le small bang des nanotechnologies (Odile Jacob, janvier 2011) qui est une réflexion sur la science et la technique dans la société contemporaine. 2 Le Tevatron, collisionneur américain installé au Fermilab à Chicago, pourrait également découvrir le boson de Higgs : des protons y entrent en collision avec des antiprotons, avec une énergie sept fois moindre qu’au LHC. Mais après une longue carrière, il a pris sa retraite en septembre 2011.