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Boson de Higgs : il y a 10 ans, les physiciens isolaient la « Particule de Dieu »

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Crédits : tommyvideo/Pixabay

Il y a dix ans, des physiciens travaillant sur l’expérience scientifique la plus puissante du monde annonçaient l’une des plus grandes découvertes scientifiques de l’histoire : celle du boson de Higgs, une particule dont l’existence était théorisée depuis des décennies.

Une découverte fondamentale

Théorisé au milieu des années 60 par le physicien Peter Higgs, le boson de Higgs a été isolé le 4 juillet 2012 par des scientifiques du CERN grâce au Grand collisionneur de hadrons deux ans seulement après sa mise en service, dans le cadre des expériences ATLAS (A Toroidal LHC Apparatus) et CMS (Compact Muon Solenoid). Pour les physiciens des particules, ce boson était la pièce manquante du modèle standard, une sorte de clef de voûte de la structure fondamentale de la matière.

Ce fameux boson de Higgs, qui est une particule élémentaire, a depuis ouvert des portes longtemps fermées à clef. « Nous avons plus appris au cours des dix dernières années qu’au cours des trente années précédentes« , a déclaré Gian Giudice, chef du département de physique théorique du CERN, lors d’une conférence de presse tenue le 30 juin dernier.

Si le boson de Higgs est important, c’est parce qu’il porte la force d’un champ d’énergie connu sous le nom de champ de Higgs. Ce champ imprègne l’espace et le temps et son interaction avec les autres particules détermine leur masse.

Une manière de se représenter la chose est de considérer le champ de Higgs comme une sorte de mélasse cosmique qui ralentit certaines particules plus que d’autres. Les particules moins massives traversent le champ relativement vite et sans effort. C’est notamment le cas des électrons, qui ont une masse minuscule, ou des photons, qui n’en ont aucune. Pour d’autres particules, patauger dans cette mélasse cosmique du champ de Higgs les ralentit, leur conférant plus de masse.

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Un schéma de l’une des collisions proton-proton au LHC qui a révélé le boson de Higgs. Crédits : CERN/CMS/Thomas McCauley/Lucas Taylor

Ce que nous avons appris

Depuis sa découverte, nous avons appris que le boson de Higgs avait lui-même une masse élevée : 125 milliards d’électronvolts. À titre de comparaison, c’est environ 125 fois plus massif que l’un des protons chargés positivement au cœur d’un atome.

Nous savons également que toutes les particules connues ont un spin quantique à l’exception du boson de Higgs. Le modèle standard l’avait prédit, mais les différentes mesures effectuées au cours de ces dix dernières années ont confirmé les calculs. La raison pour laquelle le boson de Higgs n’a pas de spin est due à la nature de son champ.

Contrairement aux champs gravitationnels et électromagnétiques qui ont des sources évidentes, telles que la masse d’un objet pour le premier, ou un courant électrique traversant des champs magnétiques pour le second, le champ de Higgs n’a pas de source. II est çà et là, imprègne tout et se retrouve couplé au « vide », le tissu même de l’espace-temps. Le champ de Higgs partage donc les propriétés de ce vide. Et ce vide n’a pas de spin quantique.

Les chercheurs ont également passé la dernière décennie à essayer de déterminer la durée de vie de cette étrange particule. Le modèle standard prédit qu’un boson de Higgs ne peut survivre que 10^–22 secondes avant de se briser en particules plus subatomiques. Pour l’heure, ce calcul n’a pas encore été vérifié par l’expérience, mais les prochaines mises à jour du LHC pourraient permettre de le vérifier.

Si les physiciens peuvent un jour mesurer la durée de vie du Boson de Higgs, alors cela leur donnera plus de contraintes sur les particules en lesquelles le boson de Higgs se désintègre. À son tour, comprendre comment il se décompose pourrait un jour nous révéler de nouvelles particules subatomiques, dont peut-être celles qui composent la mystérieuse matière noire.