Événements candidats au boson de Higgs dans des collisions entreprotons auLHC. En haut, dans l'expérienceCMS, une désintégration en deuxphotons en vert. En bas, dans l'expérienceATLAS, une désintégration en quatremuons en rouge.
La théorie de l'interaction unifiée électrofaible (EWSB, pour l'anglaiselectroweak symmetry breaking) prédit pour le boson de Higgs des propriétés quantiques très particulières : un spin de 0, unefonction d'onde qui ne change pas lors d'uneinversion de charge et de parité (spin/CP de 0+), et une interaction avec lui-même par auto-couplage. Par cet ensemble de propriétés, il se démarque des autres particules fondamentales connues. En revanche, la théorie ne prédit pas sa masse[8].
La valeur la plus précise de la masse du boson de Higgs H0 a été obtenue en 2020 par l'équipe dudétecteur de particulesCMS : 125,38 ± 0,14 GeV/c2 (soit une incertitude d'environ 0,2 %). Le spin/CP de 0+ n'a pas été explicitement démontré, mais l'hypothèse d'un spin devaleur 1 a été invalidée (parce que l'un desmodes de désintégration du boson de Higgs produit deuxphotons, despin 0) ainsi qu'un grand nombre d'autres hypothèses plus exotiques. Lesconstantes de couplage de H0 avec lesbosons W et Z ont été mesurées avec une incertitude de 6 %, de même qu'avec lesquarkstop etbottom et avec lesleptonstau (les quarks et leptons de troisième génération), avec une incertitude de 7 à 11 %[8].
Le boson de Higgs semble en 2000 être mis en évidence auLEP duCERN. Lasignification statistique est cependant trop faible pour que cette mise en évidence soit assurée. Des études conduites en 2002 au LEP permettent de conclure à une probabilité de 8 % pour que les événements observés s'expliquent sans faire intervenir le boson[9].
La recherche duboson scalaire (ou boson de Higgs) est l'une des priorités initiales duLHC,accélérateur de particules successeur du LEP, opérationnel depuis le. Les expériencesCMS etATLAS auLHC annoncent en avoir observé des excès cohérents autour de 124 à 126 GeV c−2[10].Ces excès, inférieurs à trois fois l'écart type[réf. nécessaire], ne sont toutefois pas non plus suffisamment significatifs statistiquement pour valider avec certitude la découverte du boson de Higgs.
Lors d'un séminaire organisé au CERN en décembre 2011, il est soutenu que, s'il existe, l'énergie propre du boson se situe probablement dans la gamme116–130GeV selon les expérimentations ATLAS et115–127GeV d'après celles du CMS[10].
Le, les physiciens du CERN annoncent avoir détecté, grâce aux détecteurs ATLAS et CMS, la désintégration du boson en une paire dequarks bottom, confortant ainsi lemodèle standard[17],[18].
L'existence du boson scalaire (BEH) est trop brève (de l'ordre de 10−22s[8]) pour qu'on le détecte directement : on ne peut espérer observer que sesproduits de désintégration, voire les produits de désintégration de ces derniers[19]. 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 propremasse[réf. souhaitée]. Il est d'ailleurs abusif de parler de masse pour une telle particule, puisque dans le modèle la masse n'est plus une caractéristique intrinsèque des particules, mais une mesure de leurs interactions avec lechamp de Higgs[20].
Enfin, la complexité des phénomènes intervenant tant dans la production que dans la détection de ces bosons conduit à raisonner en termes destatistiques, qui excluent l'identification formelle à 100 % du boson. Ainsi, pour affirmer une découverte en physique des particules, la probabilité d'erreur doit être inférieure à 0,000 06 %, correspondant à unintervalle de confiance de5σ[21]. Une telle démarche statistique implique donc de provoquer un très grand nombre de collisions lors des expériences pour aboutir à ces niveaux de probabilité[22].
La mise en évidence directe de l'existence du boson de Higgs passe par l'utilisation dedétecteurs spécifiques auprès d'accélérateurs de particules. Les expériences suivantes ont tenté de détecter le boson de Higgs :
auLEP (collisionneurélectron-positron) :ALEPH,DELPHI,L3 etOPAL. Pour la recherche du boson de Higgs, le LEP pèche par son énergie relativement faible. Le LEP a fonctionné de 1989 à 2000 ;
auTevatron (collisionneur proton-antiproton) :DØ etCDF. Malgré son énergie maximale sept 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 ;
auLHC (collisionneurproton-proton) :ATLAS etCMS. Le LHC fonctionne depuis 2009.
en, une publication du Tevatron[23] renforce l'exclusion du domaine 147–179 GeV] et la probabilité, supérieure à 97 % (2,2σ), que le Higgs soit en revanche situé dans l'intervalle115-135 GeV] ;
en 2019, le CERN publie un résultat de125,35 ± 0,15GeV (CMS 2019)[1] ;
Peter Higgs lors de la conférence de presse de la remise desprix Nobel 2013.
Plusieurs questions ont été posées concernant, entre autres, le mécanisme et la masse desbosons. Pour apporter une réponse à ces questions, la notion debrisure de symétrie est introduite, dans lathéorie électrofaible.
Les régularités dans le comportement des particules sont appelées symétries et elles sont étroitement reliées auxlois 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 (voirthéorème 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 deuxfermions (spin demi-entier), 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 ?
Lessymétries 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 etWeinberg 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 :Yoichiro Nambu,Jeffrey Goldstone, Sheldon Glashow,Peter Higgs etPhilip Warren Anderson.
L'idée est de postuler l'existence d'un nouveau champ, surnomméchamp de Higgs.
Contrairement à tous les autreschamps connus, tels que lechamp électromagnétique, le champ de Higgs est unchamp scalaire et a une valeur constante non nulle dans le vide[24]. Le champ de Higgs différerait des autres champs en ce qu'à bassetempérature (énergie thermique), l'espace « préférerait » 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. À 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 » et est dite « manifeste ». La masse d'unfermion ou d'un boson 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 labrisure 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 lesneutrinos, qu'on croyait jusqu'en 1998 de masse nulle ; vient ensuite l'électron, d'une masse de 0,511 MeVc−2. Tout en haut de l'échelle se trouve lequark top, qui est de loin la particule élémentaire la plus lourde avec ses 175 GeV c−2.
Les particules élémentaires (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 lecouplage — 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 seule théorie du boson de Higgs ne permet pas d'y répondre.
Le physicien David J. Miller, spécialiste des particules élémentaires[25], a comparé le boson et lemécanisme de Higgs à un cocktail réunissant les membres d'un parti politique[26].
Le champ de Higgs est comparé au groupe des personnes qui, au départ, remplissent un salon de manière uniforme. Lorsqu'unepersonnalité politique très connue entre dans le salon, elle attire les militants autour d'elle, ce qui lui donne une « masse » importante. Cet attroupement correspond au mécanisme de Higgs, qui attribue une masse aux particules.
Ce n'est pas le boson qui donne directement une masse aux particules : le boson est une manifestation du champ de Higgs et du mécanisme de Higgs qui, lui, donne sa masse aux particules. Cela est comparable, dans cette métaphore, au phénomène suivant : une personne extérieure, depuis le couloir, répand une rumeur aux personnes situées près de la porte. Un attroupement de militants se forme de la même manière et se répand, comme une vague, à travers la pièce pour transmettre l'information : cet attroupement correspond au boson de Higgs.
L'observation du boson de Higgs serait donc un indice très fort de l'existence du mécanisme de Higgs, mais celui-ci pourrait exister même si le boson, lui, n'existait pas.
Seulement 1 % de la masse de lamatière ordinaire peut être considérée comme causée par le champ de Higgs. En effet, la matière usuelle est faite d'atomes, eux-mêmes composés d'électrons et denucléons (protons etneutrons). Or la masse des électrons étant très faible, 99 % de la masse des nucléons vient de l'énergie de liaison (par l'interaction forte) entrequarks, eux-mêmes également très légers[27].
« Notre article a paru dans lePhysical Review Letters du 31 août 1964 au moment où l'article de Higgs était seulement déposé. Et celui-ci cite d'ailleurs notre texte. Nous avons donc l'antériorité. Ce que Peter Higgs reconnaît bien volontiers. Disons qu'il y a eu codécouverte, de manière indépendante mais complémentaire. L'approche mathématique en était différente. Nous ne nous connaissions pas. On a commencé à appeler cette particule « boson de Higgs » et on n'a pas changé, alors que les scientifiques, eux, savent que c'est le « boson de Brout-Englert-Higgs » et le champ BEH. Je préfère d'ailleurs l'appeler encore autrement, c'est-à-dire « boson scalaire » et « champ scalaire », ce qui décrit mieux la structure de ce boson. »
— François Englert, interviewé dansLa Libre Belgique[32]
Les appellations« particule-Dieu » et« particule de Dieu » sont deux traductions du surnom« God Particle ». Ce surnom est en fait une modification imposée par l'éditeur du livre deLeon Lederman, qui a intitulé un ouvrageThe Goddamn Particle (mot à mot « la particule damnée », en français courant « la satanée particule » ou « la foutue particule »)[33],[34]. Ces appellations, largement employées par les médias, sont parfois réprouvées par les physiciens[35].
↑« Les expériences du CERN observent une particule dont les caractéristiques sont compatibles avec celles du boson de Higgs tant attendu »,Bulletin du CERN,(lire en ligne).
↑Selon les conventions en vigueur enphysique des particules, l'annonce d'une découverte nécessite cinqdéviations 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 ».
↑L’hypothétiqueinflaton, forme d'une matière hypothétique responsable de l'inflation cosmique, serait également un champ scalaire appelé « champ scalaire primordial »
« Le prix Nobel de physiqueLeon Lederman voulait titrerThe Goddamn particle (« La fichue particule ») pour exprimer la frustration de recherches vaines jusque là. Et l'éditeur a coupé« damn », craignant peut-être que« goddamn » soit perçu comme injurieux. »
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