Le modèle standard de la physique des particules, qui explique le fonctionnement de notre Univers, présente un léger défaut. Certaines particules, dans ce modèle, n’auraient pas de masse, alors qu’en réalité, elles en ont bien une. Le mécanisme de Brout-Englert-Higgs permettrait de pallier ce défaut.
LE MODÈLE STANDARD
La physique moderne considère que notre Univers est gouverné par quatre forces fondamentales : la gravitation, la force électromagnétique et les deux forces d’interaction, faible et forte, et qu’il est constitué de douze particules fondamentales reparties en deux grandes familles, les leptons et les quarks. Dans les années 1970, les physiciens théorisent un modèle qui permet de prendre en compte les liens intimes existant entre la force électromagnétique et la force faible. Il est à noter d’ailleurs qu’un modèle qui permettrait d’unifier les quatre forces fondamentales est l’un des buts principaux de la physique contemporaine. Le modèle qui unifie la force électromagnétique et la force faible est la première brique de ce que l’on appelle le modèle standard de la physique des particules. Il unifie les douze particules et trois des quatre forces fondamentales, la gravitation lui échappant encore. Des fondements expérimentaux solides donnent au modèle standard une très forte crédibilité.
LE MÉCANISME DE BROUT-ENGLERT-HIGGS
Au sein du modèle standard, chaque force est associée à une particule, un boson. Le photon pour la force électromagnétique, le gluon pour la force forte et les bosons W et Z pour la force faible. Malgré la solidité du modèle standard, un défaut a cependant intrigué les physiciens pendant des années. En effet, au sein de ce modèle, les bosons Wet Z apparaissent comme étant dépourvus de masse. Or, si le photon n’a effectivement pas de masse, ce n’est pas le cas pour les bosons W et Z. Ils ont même une masse de l’ordre de 100 fois celle du proton. Pour pallier ce défaut majeur du modèle standard, trois physiciens, Robert Brout, François Erglert et Peter Higgs ont proposé un mécanisme permettant d’expliquer la masse de ces deux bosons. Ce mécanisme est simple. Il existe par tout dans l’Univers un champ, le « champ de Higgs », qui, lorsqu’il est traversé par les deux bosons, leur donne une masse en interagissant avec eux. Ce champ invisible est associé à une particule, le boson de Higgs.
LE BOSON DE HIGGS
La théorie de Brout-Englert-Higgs postule que le champ de Higgs était nul juste après le Big Bang, puis qu’il s’est développé spontanément lorsque l’Univers a commencé à refroidir et que sa température est tombée en dessous d’une certaine valeur, appelée valeur critique. Alors, toutes les particules présentes dans l’Univers ont pu acquérir une masse en interagissant avec ce champ. Cette théorie postule par exemple que le photon n’interagit pas avec le champ de Higgs, ce qui explique son absence de masse. Mais les bosons W et Z, eux, interagissent bien avec le champ de Higgs, d’où leur masse. Et plus l’interaction entre la particule et le champ est forte, plus la masse de la particule sera grande. Mais si ce champ est invisible, comment peut-on alors vérifier la validité scientifique de ce mécanisme? Pour cela, il faut savoir qu’en physique, tous les champs fondamentaux sont associés à une particule. Ainsi, le champ de Higgs est naturellement associé à un boson, le fameux boson de Higgs.
À LA RECHERCHE DU BOSON
Le boson de Higgs est la particule associée au champ de Higgs. Si le champ est invisible, le boson de Higgs devrait quant à lui pouvoir être observé. Si tel était le cas, ce serait la preuve expérimentale de la validité du modèle de Brout-Englert-Higgs. Structurée au début des années 1960, la théorie de Brout-Englert-Higgs attendait donc sa confirmation expérimentale. Il aura fallu attendre plus de cinquante ans pour qu’une première piste apparaisse. En juillet 2012, deux équipes de chercheurs annoncent qu’ils ont observé une particule qui pourrait être le fameux boson. Les deux expériences à la base de cette possible découverte, CMS et Atlas, ont été menées au LHC (Large Hadron Collider) situé au CERN à Genève. Si les particules observées ont des caractéristiques communes avec le modèle théorique du boson de Higgs, il n’en reste pas moins qu’il va falloir de nouvelles études pour confirmer cette « observation ». En 2013, le CERN confirme cette découverte, « selon toute vraisemblance ».
LA DESTRUCTION DE L’UNIVERS
Naturellement, comme toujours en physique, il s’agit ici d’un modèle. Le modèle standard classique, c’est-à-dire la physique des particules élémentaires et leurs interactions, découle d’une théorie plus vaste, la théorie quantique des champs. Elle résulte de la mise en commun de la mécanique quantique et de la relativité restreinte. Cette théorie permet, théoriquement, d’aller au-delà du modèle standard et le mécanisme de Brout-Englert-Higgs, dont le boson de Higgs du modèle standard est la manifestation la plus simple, peut prédire d’autres bosons de Higgs dans d’autres modèles. On comprend alors tout l’intérêt d’une observation d’un boson de Higgs, quand bien même ce ne serait pas celui décrit par la physique standard. Le physicien Stephen Hawking a même expliqué récemment que ce boson était assez inquiétant dans la mesure où il pouvait, à des énergies colossales, être la cause de la destruction de l’Univers. Ainsi, le boson de Higgs devrait encore être l’objet de beaucoup d’attentions.
EN RÉSUMÉ
Dans le cadre du modèle standard de la physique des particules, on trouve quatre forces fondamentales et douze particules élémentaires. A chaque force est associée une particule. Ainsi, les bosons W et Z vont avec la force faible. Mais dans ce modèle, ces bosons n’ont pas de masse. Le champ de Higgs, avec sa particule associée, le boson de Higgs, pourrait expliquer comment ils acquièrent de la masse. Pour valider cette hypothèse, il est nécessaire d’observer ce boson de Higgs. Les expériences CMS et Atlas ont peut-être répondu à cette question.