La découverte du boson de Higgs, si elle est avérée, confirmera le modèle standard

15/11/2013
Auteurs :
Publication eREE
OAI : oai:www.see.asso.fr:14389:5295
DOI :

Résumé

La découverte du boson de Higgs, si elle est avérée, confirmera le modèle standard

Métriques

112
9
986.51 Ko
 application/pdf
bitcache://2b59604eb2ecef86b8b4fd024f949d3960473a4d

Licence

Creative Commons Aucune (Tous droits réservés)
<resource  xmlns:xsi="http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance"
                xmlns="http://datacite.org/schema/kernel-4"
                xsi:schemaLocation="http://datacite.org/schema/kernel-4 http://schema.datacite.org/meta/kernel-4/metadata.xsd">
        <identifier identifierType="DOI">10.23723/14389/5295</identifier><creators><creator><creatorName>Jean-Pierre Hauet</creatorName></creator><creator><creatorName>Marc Leconte</creatorName></creator></creators><titles>
            <title>La découverte du boson de Higgs, si elle est avérée, confirmera le modèle standard</title></titles>
        <publisher>SEE</publisher>
        <publicationYear>2013</publicationYear>
        <resourceType resourceTypeGeneral="Text">Text</resourceType><dates>
	    <date dateType="Created">Fri 15 Nov 2013</date>
	    <date dateType="Updated">Mon 25 Jul 2016</date>
            <date dateType="Submitted">Fri 20 Apr 2018</date>
	</dates>
        <alternateIdentifiers>
	    <alternateIdentifier alternateIdentifierType="bitstream">2b59604eb2ecef86b8b4fd024f949d3960473a4d</alternateIdentifier>
	</alternateIdentifiers>
        <formats>
	    <format>application/pdf</format>
	</formats>
	<version>25172</version>
        <descriptions>
            <description descriptionType="Abstract"></description>
        </descriptions>
    </resource>
.

2 octobre 2012 1  La découverte du boson de Higgs, si elle est avérée,  confirmera le modèle standard  Marc Leconte  Jean‐Pierre Hauet  Membres émérites de la SEE     4 juillet 2012 : le boson de Higgs  aurait été découvert  Le 4 juillet 2012 éclatait dans tous les médias  l’annonce  par  le  CERN  de  la  découverte  très  probable du boson de Higgs. Des titres parfois  extravagants  envahissaient  la  presse  généraliste  en  plein  été,  parlant  de  particule  de  Dieu,  de  particule  manquante  qui  allait  expliquer l’univers, etc.    Dans l’un des quotidiens du soir (le Monde) on  pouvait  trouver  une  illustration  suggestive  montrant  un  puzzle  auquel  il  manquait  une  pièce :  le  boson  de  Higgs.  Le  boson  de  Higgs  fait en effet partie des particules élémentaires  qui  ont  été  postulées  au  sein  d’un  même  modèle  théorique,  le  modèle  standard,  et  pour la recherche desquelles de gigantesques  accélérateurs de particules ont été construits  en  Europe  et  aux  Etats‐Unis.  Le  dernier  en  date  est  le  LHC  (Large  Hadron  Collider)  exploité  depuis  2008  par  le  CERN,  près  de  Genève, et qui, grâce à un anneau de 26.6 km  de  circonférence,  permet  d’organiser  des  collisions  protons‐protons  à  un  niveau  d’énergie jamais atteint à ce jour de 14 TeV1 .  Deux  grands  programmes  de  recherche,  fondés  sur  les  détecteurs  géants  ATLAS  et  CMS,  ont  été  immédiatement  lancés  afin  de  traquer le fameux boson.  1 L'électron‐volt  (eV)  et  ses  multiples  (keV,  MeV,  GeV,  TeV)  sont  des  unités  de  mesure  d’énergie  utilisées  en physique des particules pour exprimer  les  niveaux  d'énergie  rencontrés  dans  les  accélérateurs  de  particules.  Un  eV  équivaut  à  1,60217653×10‐19  joule (J). L’eV.c‐2  est une unité de  masse et équivaut à 1.783 10‐36  kg. Retour sur le modèle standard  Depuis  que  la  physique  utilise  les  mathématiques  comme  modèle  de  représentation des phénomènes, la recherche  de simplification des modèles par  l’unification  des  forces  de  la  nature  et  la  recherche  de  symétries  a  été  un  puissant  moteur  de  découverte. De Newton à Einstein, on pensait  que le monde n’était fait que de matière dans  un  éther. Au début du 20e  siècle  la relativité  restreinte  a  fait  disparaître  l’éther  et  on  a  inversé la proposition, le monde n’est fait que  de  champ  et  la  matière  est  l’une  des  manifestations du champ qui est donc le socle  fondamental. On s’est attelé à l’unification des  deux  champs  connus  à  l’époque  le  champ  gravitationnel et le champ électromagnétique.  Cette unification a été un échec. Einstein aura  cherché  jusqu’à  la  fin  de  sa  vie  mais  sans  succès  à  mettre  au  point  sa  théorie  des  champs  unifiés.  Cependant,  l’approche  quantique  du  champ  électromagnétique  sera  un  plein  succès  et  donnera  naissance  à  l’électrodynamique  quantique  de  Tomonaga,  Schwinger  et  Feynman.  En  parallèle  la  découverte  de  nouvelles  particules  élémentaires  et  les  progrès  de  la  physique  atomique  ont  permis  d’approfondir  la  connaissance du noyau, de la force nucléaire  forte  qui  assure  sa  cohésion  et  de  la  force  nucléaire  faible  qui  est  responsable  de  la  désintégration β (un neutron se transformant  en  proton  plus  d’autres  particules).  2  A  partir  des  années  60,  les  physiciens  ont  construit  le  modèle  standard  qui  décrit  les  trois interactions électromagnétique,  forte et  faible.  Un  modèle  mathématique  découlant  d’un  principe  de  symétrie  unique  commun  à  tous  les  modes  d’interaction  constitue  le  cadre théorique du modèle standard.  Une  première  unification  a  été  réalisée  par  Glashow,  Salam  et  Weinberg    entre  l’interaction  faible  et  l’interaction  électromagnétique  sous  forme  d’un  champ  unique  appelé  interaction  électrofaible  qui  forme  aujourd’hui    la  première  composante  du  modèle  standard.  Les  bosons  porteurs  de  cette interaction, les W±  et Z0 , dont l’existence  avait été prédite dès les années 1960, ont été  découverts au CERN en 1983 et confirmés par  la  suite  grâce  LEP  (Large  Electron‐Positron  Collider).     La  chromodynamique  quantique  fondée  sur  l’existence  des  quarks  en  tant  que  constituants  élémentaires  des  protons  et  neutrons, a été mise au point dans les années  60 et constitue le deuxième pilier du modèle  standard  tel  que  nous  le  connaissons  aujourd’hui.  La rupture de symétrie de la force  électrofaible et  le champ de Higgs  L’idée d’unification de l’électromagnétisme et  de  la  force  faible  consistait  à  considérer  que  ces  interactions  étaient  régies  par  des  forces  de  jauge,  ou  symétries  de  jauge,  dont  le  prototype  le  plus  simple  est  l’électromagnétisme. Le porteur  ou « boson »  de  l’interaction  électromagnétique  est  le  photon  dont  la  masse  nulle  autorise  une  interaction  à  portée  infinie.  En  1957  les  expériences  de  Yang  et  Mills  permirent  d’affirmer que la force faible était également  une force de jauge. La  très courte portée  de  l’interaction  faible  impliquait  des  bosons  massifs,  mais  la  théorie  stipulait  que  les  bosons de jauge devaient être de masse nulle  ce qui soulevait une contradiction théorique.     Abdus  Salam  et  Steven  Weinberg  avancèrent  alors  l’idée  que  cette  contradiction  pouvait  être la conséquence d’une brisure de symétrie  et  que  les  masses  de  bosons  W±   et  Z0   médiateurs  de  l’interaction  faible  devaient  provenir  d’une  transition  de  phase  comme  il  en existe beaucoup dans la nature (passage de  l’eau en glace par exemple). L’idée émise fut  qu’il  existait  un  champ  scalaire,  dénommé  champ  de  Higgs  du  nom  de  l’un  de  ses  inventeurs, capable d’interagir avec les bosons  intermédiaires W±  et Z0  mais sans effet sur le  photon  de  masse  nulle.  Ce  champ  se  manifesterait  par  le  mécanisme  de  Higgs2   expliquant  que  dans  le  domaine  des  basses  énergies les bosons  W±  et Z0  acquièrent une  masse inertielle qui les différencie du photon.   Dans le domaine des hautes énergies, celui qui  prévalait peu après le big bang, la « mélasse »  Higgsienne  ne  remplit  plus  l’espace  et  la  symétrie entre les bosons W± , Z0  et le photon  se trouve rétablie. L’introduction du champ de  Higgs était une façon élégante de préserver la  symétrie à haute énergie tout en expliquant la  brisure de la symétrie à basse énergie.  Qui dit champ, dit boson  Mais  si  un  champ  électrofaible  existe,  il  doit  exister,  selon  le  principe  de  la  dualité  onde‐ particule,  une  particule  porteuse  du  champ.  Cette  particule  putative  a  été  dénommée  « boson de Higgs » et c’est sur ce boson que  s’est  concentrée  la  recherche  scientifique  pour  étayer  l’hypothèse  du  mécanisme  de  Higgs.    L’enjeu était essentiel. Il fallait comme indiqué  ci‐dessus  valider  le  modèle  standard  en  expliquant  la  brisure  de  symétrie  observée  dans  l’interaction  électrofaible  dans  le  domaine  des  basses  énergies.  Mais  le  mécanisme de Higgs va beaucoup plus loin. Il  conduit  en  effet  à  considérer  la  masse  inertielle  des  bosons  intermédiaires  et  plus  généralement  de  toute  particule,  non  pas  comme  une  propriété  intrinsèque    mais  comme  la  mesure  de  son  interaction  avec  le  champ de Higgs. On mesure là l’étendue de la  conjecture…    Une  explication  hautement  vulgarisée  du  mécanisme  de  Higgs  a  été  proposée  par  le  2 En fait mécanisme de Brout‐Englert‐Higgs‐Hagen‐ Guralnik‐Kibble pour mentionner tous ceux qui à la  même époque et de façon indépendante ont émis  la même théorie. 3  chercheur  David  Miller  en  1993  à  l’attention  du Ministre chargé de la Science du Royaume  Uni.  Il  a  fait  un  rapprochement  entre  le  mécanisme de Higgs et une petite fête de type  cocktail.  Supposons  que  dans  une  pièce,  des  invités  soient  répartis  uniformément.  Cela  forme  le  champ  de  Higgs  (voir  figure  1a).  Si  une personnalité entre dans la pièce, les gens  en train de discuter près d’elle s’agglomèrent  autour  d’elle.    Elle  a  alors  plus  de  mal  à  bouger, un peu comme si elle avait une masse  plus importante (figure 1b). Cette personnalité  représente une particule qui interagit avec le  champ de Higgs. Plus la personne est connue,  plus  il  y  a  de  gens  qui  s’agglutinent  autour  d’elle.  Ainsi  l’intensité  de  l’interaction  entre  les  particules  et  le  champ  de  Higgs  est  proportionnelle à la masse des particules. On  imagine maintenant que quelqu’un lance une  rumeur  dans  la  pièce  (figure  1c).  Des  petits  groupes  se  forment  pour  discuter  de  la  rumeur et la propagent. C’est un peu comme  si  la  rumeur  acquérait  elle‐même  une  masse  (figure 1d). Cette rumeur représente le boson  de Higgs.      Figure 1a  Figure 1b    Figure 1c    Figure 1d  Source : CERN pour le compte de David Miller ‐ http://www.hep.ucl.ac.uk/~djm/higgsa.html    La longue traque du boson de Higgs  Après que les bosons W±  et Z0  ont été détectés  au CERN, après la découverte du quark top en  1994,  il  ne  restait  donc  plus  pour  valider  le  modèle  standard  qu’à  découvrir  le  boson  de  Higgs. Mais la particule n’était pas au rendez‐ vous,  probablement  parce  que  les  accélérateurs ne mettaient pas en œuvre des  énergies  suffisantes.  La  traque  s’est  progressivement  resserrée.  En  effet  des  considérations  théoriques  et  des  résultats  expérimentaux  ont  permis  de  situer  les  fenêtres  d’énergie  dans  lesquelles  était  susceptible  de  se  trouver  la  particule.  Avant  que  ne  soient  connus  les  résultats  des  expériences  menées  au  CERN,  le  créneau  114,4  –  127  GeV  était  considéré  comme  probable  avec  un  intervalle  de  confiance  de  95.5 %.    4   Le  LHC  conçu  pour  produire  des  désintégrations  supérieures  au  TeV  a  permis  de  détecter,  avec  une  degré  de  confiance  supérieur à 99.9999 % un nouveau boson dans  une fourchette de masse de 125 ± 0.6 GeV.c‐2   qui  correspond  précisément  à  celle  dans  laquelle est susceptible de se trouver le boson  de Higgs.  Des  vérifications  précises,  qui  demanderont  peut‐être  plusieurs  années,  restent  nécessaires  pour  pouvoir  l’affirmer  de  façon  formelle  après  avoir  vérifié  que  la  particule  identifiée  possède  bien  toutes  les  caractéristiques  attendues  du  boson.  L’optimisme  est  cependant  perceptible  et  le  CNRS a  confirmé que le détecteur CMS avait  enregistré  des  résultats  similaires  à  celui  d’Atlas.  Cette  découverte  probable  du  boson  de Higgs représente une étape cruciale dans la  compréhension de l'univers et de la matière.  Le modèle standard conforté  Supposant cette découverte avérée, le modèle  standard  se  trouve  maintenant  complet.  Augmenter l’énergie des accélérateurs et des  collisionneurs  permet  de  sonder  au  cœur  du  noyau des atomes mais aussi de retrouver les  conditions  de  l’univers  à  une  époque  où  les  distances entre particules étaient plus de mille  fois  plus  petites  et  sa  température  plus  de  mille  fois  plus  élevée.  Tout  était  alors  symétrique  et  au  fur  et  à  mesure  que  la  température a baissé des brisures de symétrie  sont  intervenues  et  ont  différentié  les  forces  d’interactions. Cette validation expérimentale  du  modèle  standard  est  importante  pour  le  modèle cosmologique associé.    Le  modèle  standard  ainsi  conforté  ouvre  la  voie  à  des  perspectives  nouvelles.  La  découverte  de  cette  particule  spécifique  donne  du  sens  à  la  volonté  d’unification  des  forces  fondamentales  et  fait  de  cette  recherche  un  modèle  heuristique  réussi.    Il  reste cependant bien du travail. 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  (citation  extraite  de  Wikipédia).      Leptons  Quarks  Fermions  Electron  Neutrino de l’électron  Quark d  Quark u  Muon  Neutrino du muon  Quark s  Quark c  Tau   Neutrino du tau  quark b  Quark t      Particules présentes dans la matière ordinaire.    Bosons  Photon  W+   W‐   Z0   Gluons  Boson de Higgs    Tableau 1 : Les particules du modèle standard3  ‐ (les particules d’antimatière ne sont pas mentionnées).        3 Les fermions, du nom du physicien italien Enrico Fermi, obéissent au principe d'exclusion de Wolfgang Pauli  qui stipule que deux fermions dans un état identique ne peuvent se trouver au même endroit.  Les  bosons,  du  nom  du  physicien  indien  Bose,  qui  postula  pour  la  première  fois  l'existence  de  ce  type  de  particules,  peuvent  au  contraire  se  trouver  au  même  endroit  dans  le  même  état.  C'est  ce  qui  permet  le  fonctionnement du laser : le faisceau est constitué de photons, des bosons, dans le même état.