Le boson de Higgs

Le Modèle standard arrive à décrire toutes les particules élémentaires connues et la façon dont elles interagissent les unes avec les autres. Mais notre compréhension de la nature est incomplète. En particulier, le Modèle standard ne répond pas à une question simple : Pourquoi la plupart des particules élémentaires ont-elles une masse ?

Sans la masse, l’Univers serait bien différent. Par exemple, si l’électron n’avait pas de masse, il n’y aurait pas d’atomes. Il n’y aurait donc pas de matière telle que nous la connaissons, pas de chimie, pas de biologie, et naturellement pas d’êtres humains. Autre exemple, si le Soleil brille, c’est grâce à une interaction subtile entre les forces fondamentales de la nature, qui serait complètement bouleversée si certaines des particules porteuses de force n’avaient pas une masse importante.

À première vue, le concept de masse semble ne pas avoir sa place dans le Modèle standard de la physique des particules. Deux des forces décrites par le modèle – l’électromagnétisme et la force nucléaire faible – peuvent être décrites par une seule théorie, celle de la force électrofaible. Les physiciens ont mis cette théorie électrofaible à l’épreuve par de nombreuses expériences, qui l’ont toujours confirmée. Toutefois, les équations de base de la théorie semblent n’être valables que si toutes les particules élémentaires sont dépourvues de masse.

Les physiciens avaient donc besoin d’une porte de sortie. Plusieurs d’entre eux, dont Peter Higgs, ont découvert un mécanisme qui, associé aux équations du modèle, permettrait aux particules d'avoir une masse. C'est ce qu'on appelle à présent le mécanisme de Higgs. Intégrer ce mécanisme dans le Modèle standard a permis aux physiciens de réaliser des prédictions concernant plusieurs quantités, notamment la masse de la plus lourde des particules connues, le quark top. Les expérimentateurs ont découvert cette particule exactement là où les équations intégrant le mécanisme de Higgs prédisaient qu’elle devait se trouver.

D’après la théorie, le mécanisme de Higgs repose sur un champ présent partout dans l’espace. Les particules acquièrent la masse en interagissant avec ce champ. Peter Higgs a mis en évidence que le mécanisme suppose l'existence d'une particule qui n’a jamais été observée, que nous appelons maintenant le boson de Higgs. Le boson de Higgs est l’élément fondamental du champ de Higgs, de même que le photon est l’élément fondamental de la lumière.

Le boson de Higgs est la seule particule prédite par le Modèle standard qui n’a pas encore été détectée par les expériences. Le mécanisme de Higgs ne prédit pas la masse du boson de Higgs, mais envisage plutôt une gamme de masses. Heureusement, le boson de Higgs, s’il est détecté, laissera une empreinte unique en fonction de sa masse. Les physiciens sauront donc calculer sa masse d’après les particules qui apparaîtront dans le détecteur.

Il se pourrait que le boson de Higgs qu’observent les expérimentateurs soit différent de la version la plus simple prédite par le Modèle standard. Plusieurs des théories décrivant la physique au-delà du Modèle standard, notamment la supersymétrie et les modèles composites, prévoient l’existence de tout un zoo de nouvelles particules, y compris différents types de bosons de Higgs. Si l’un de ces scénarios est conforme à la réalité, la découverte du boson de Higgs pourrait ouvrir la voie à la découverte d'une nouvelle physique, avec par exemple les superparticules ou la matière noire. D’un autre côté, si l’on ne trouvait aucun boson de Higgs au LHC, cela appuierait une autre classe de théories, qui expliquent le mécanisme de Higgs de façon différente.

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