Boson de Higgs

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De gauche à droite : Kibble, Guralnik, Hagen, Englert et Brout, en 2010.

Le boson de Higgs<templatestyles src="Prononciation/styles.css" />{{#invoke:Prononciation|prononciation}} ou boson BEH<templatestyles src="Prononciation/styles.css" />{{#invoke:Prononciation|prononciation}}, est une particule élémentaire dont l'existence, postulée indépendamment en juin 1964 par François Englert et Robert Brout, par Peter Higgs, en août, et par Gerald Guralnik, Carl Richard Hagen et Thomas Kibble, permet d'expliquer la brisure de l'interaction unifiée électrofaible (EWSB, pour l'anglais Modèle:Anglais) en deux interactions par l'intermédiaire du mécanisme de Brout-Englert-Higgs-Hagen-Guralnik-Kibble et d'expliquer ainsi pourquoi certaines particules ont une masse et d'autres n'en ont pas<ref>Modèle:Article.</ref>.

Son existence a été confirmée de manière expérimentale en 2012 grâce à l'utilisation du LHC et a conduit à l'attribution du prix Nobel de physique à François Englert et Peter Higgs en 2013<ref>Modèle:Lien web.</ref>.

Le mécanisme de Higgs confère une masse non nulle aux bosons de jauge de l'interaction faible (bosons W et boson Z), leur conférant des propriétés différentes de celles du boson de l'interaction électromagnétique, le photon. Il est également à l'origine de la masse des fermions, notamment des quarks et des électrons. En revanche, il n'est pas à l'origine de l'essentiel de la masse des noyaux atomiques, qui provient de l'énergie de liaison entre les quarks.

La détection du boson de Higgs constitue l'une des clefs de voûte du modèle standard de la physique des particules<ref>Modèle:Article.</ref>. À ce titre, il a parfois été dénommé « particule de Dieu ». La connaissance de ses propriétés pourrait par ailleurs orienter la recherche au-delà du modèle standard et ouvrir la voie à la découverte d'une nouvelle physique, telle que la supersymétrie ou la matière noire<ref>Modèle:Lien web.</ref>.

Symbole

Le symbole du boson de Higgs est H0.

Propriétés

Le modèle standard de la physique des particules ne prédit l'existence que d'un seul boson BEH : on parle de Modèle:Citation. Des théories au-delà du modèle standard, telles que la supersymétrie, autorisent l'existence de plusieurs bosons de ce type, de masses et de propriétés différentesModèle:Référence nécessaire.

La théorie EWSB prédit pour le boson de Higgs des propriétés quantiques très particulières : un spin de 0, une fonction d'onde qui ne change pas lors d'une inversion de charge et de parité (Modèle:Quoi de 0+), et une interaction avec elle-même par auto-couplage. Cette combinaison de propriétés la rend différente de toute autre particule fondamentale connue. En revanche, la théorie ne prédit pas sa masse<ref name=Abidi2022/>.

La valeur la plus précise (environ 0,2 %) de la masse du boson de Higgs H0 a été obtenue en 2020 par l'équipe du détecteur de particules CMS : Modèle:Unité. Le spin/CP de 0+ n'a pas été explicitement démontré, mais l'hypothèse d'un spin de Modèle:Nobr a été invalidée (parce que l'un des modes de désintégration du boson de Higgs produit deux photons, de Modèle:Nobr) ainsi qu'un grand nombre d'autres hypothèses plus exotiques. Les Modèle:Page h' de H0 avec les bosons W et Z ont été mesurées avec une incertitude de 6 %, de même qu'avec les quarks top et bottom et avec les leptons tau (les quarks et leptons de troisième génération), avec une incertitude de 7 à 11 %<ref name=Abidi2022/>.

Historique des recherches expérimentales

Fichier:BosonFusion-Higgs.svg
Une des voies possibles de formation d'un boson de Higgs neutre à partir de deux quarks et l'échange de bosons électrofaibles.

Le boson de Higgs semble en 2000 être mis en évidence au LEP du CERN. La signification 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<ref>{{#invoke:Langue|indicationDeLangue}} Modèle:Lang, conférence ICHEP'02, Amsterdam, juillet 2002.</ref>.

La recherche du boson scalaire (ou boson de Higgs) est l'une des priorités initiales du LHC, accélérateur de particules successeur du LEP, opérationnel depuis le Modèle:Date-. Les expériences CMS et ATLAS au LHC annoncent en Modèle:Date- avoir observé des excès cohérents autour de Modèle:Unité<ref name="CERN131211" />. Modèle:Refnec, 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 gamme Modèle:Unité selon les expérimentations ATLAS et Modèle:Unité d'après celles du CMS<ref name="CERN131211">Modèle:Lien web.</ref>.

Le Modèle:Date-, le CERN annonce avoir identifié, avec un degré de confiance de Modèle:Nb % (Modèle:Nobr), un nouveau boson dans un domaine de masse de l'ordre de Modèle:Unité, qui paraît compatible avec celui du boson de Higgs<ref>Modèle:Article.</ref>. L'annonce est suivie, le Modèle:Date-, par la publication de deux articles dans la revue [[Physics Letters B|Modèle:Lang]]<ref>Modèle:Article.</ref>,<ref>Modèle:Article.</ref>. Le Modèle:Date-, le CERN confirme que, selon toute vraisemblance, il s'agit bien du boson de Higgs<ref>Modèle:Lien web.</ref>,<ref>Modèle:Lien web.</ref>.

Le Modèle:Date-, les physiciens du CERN annoncent avoir détecté, grâce aux détecteurs ATLAS et CMS, la désintégration du boson en une paire de quarks bottom, confortant ainsi le modèle standard<ref>La désintégration du Higgs en quarks b enfin observée, CERN, le 28 août 2018.</ref>,<ref>Boson de Higgs : l'origine de la masse des quarks se précise, Futura, le 30 août 2018.</ref>.

Principe

L'existence du boson scalaire (BEH) est trop brève (de l'ordre de Modèle:Unité<ref name=Abidi2022>Modèle:Article.</ref>) pour qu'on le détecte directement : on ne peut espérer observer que ses produits de désintégration, voire les produits de désintégration de ces derniers<ref>Modèle:Article.</ref>. 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 propre masseModèle:Refnec. 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<ref>Modèle:Lien web.</ref> avec le champ de Higgs.

Enfin, la complexité des phénomènes intervenant tant dans la production que dans la détection de ces bosons conduit à raisonner en termes de statistiques, 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 Modèle:Unité, correspondant à un intervalle de confiance de Modèle:Nobr<ref>Modèle:Lien web.</ref>. Une telle démarche statistique implique donc de provoquer un très grand nombre de collisions lors des expériences pour aboutir à ces niveaux de probabilité<ref>Selon les conventions en vigueur en physique des particules, l'annonce d'une découverte nécessite cinq déviations standards, ce qui correspond à une probabilité de Modèle:Nb, trois déviations standards (probabilité de 99,73 %) ne permettant de conclure qu'à une Modèle:Citation.</ref>.

Instruments et expériences

La mise en évidence directe de l'existence du boson de Higgs passe par l'utilisation de détecteurs spécifiques auprès d'accélérateurs de particules. Les expériences suivantes ont tenté de détecter le boson de Higgs :

  • au LEP (collisionneur électron-positron) : ALEPH, DELPHI, L3 et OPAL. Pour la recherche du boson de Higgs, le LEP pèche par son énergie relativement faible. Le LEP a fonctionné de 1989 à 2000 ;
  • au Tevatron (collisionneur proton-antiproton) : DØ et CDF. 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 ;
  • au LHC (collisionneur proton-proton) : ATLAS et CMS. Le LHC fonctionne depuis 2009.

Domaines d'exclusion

Fichier:DomainesExclusionEnergieHiggs.PNG
Domaines d'exclusion de l'énergie du boson scalaire au Modèle:Date-.

Les expériences passées conduisaient à exclure cette masse au repos du boson de Higgs de certains intervalles :

  • il était exclu avec un intervalle de confiance de 95 % par des expériences s'étant déroulées au LEP qu'elle soit inférieure à Modèle:Unité ;
  • il était exclu à 95 % par les expériences CDF et DØ au Tevatron qu'elle soit comprise entre 156 et Modèle:Unité ;
  • il était exclu à 95 % (respectivement 99 %) par l'expérience CMS au LHC qu'elle soit comprise entre 127 et Modèle:Unité (respectivement 128 et Modèle:Unité) et dans un intervalle similaire par l'expérience ATLAS ;
  • en Modèle:Date-, une publication du Tevatron<ref>{{#invoke:Langue|indicationDeLangue}} Modèle:Lang, Fermilab, 7 mars 2012.</ref> renforce l'exclusion du domaine Modèle:Unité et la probabilité, supérieure à 97 % (Modèle:Nobr), que le Higgs soit en revanche situé dans l'intervalle Modèle:Nobr ;
  • en 2019, le CERN publie un résultat de Modèle:Unité (CMS 2019)<ref name=CERN2019/>

Origine de la masse

Plusieurs questions ont été posées concernant, entre autres, le mécanisme et la masse des bosons. Pour apporter une réponse à ces questions, la notion de brisure de symétrie est introduite, dans la théorie électrofaible.

Symétrie et brisure de symétrie

Les régularités dans le comportement des particules sont appelées symétries et elles sont étroitement reliées aux lois 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 (voir théorème 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 deux fermions (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 ?

Les symétries 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 et Weinberg 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 et Philip Warren Anderson.

L'idée est de postuler l'existence d'un nouveau champ, surnommé champ de Higgs.

Champ de Higgs

Contrairement à tous les autres champs connus, tels que le champ électromagnétique, le champ de Higgs est un champ scalaire et a une valeur constante non nulle dans le videModèle:Note. Le champ de Higgs différerait des autres champs en ce qu'à basse température (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'un fermion 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 la brisure 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 les neutrinos, qu'on croyait jusqu'à récemment de masse nulle; vient ensuite l'électron avec une masse de Modèle:Nobr. Tout en haut de l'échelle vient le quark top, qui est de loin la particule élémentaire la plus lourde avec ses Modèle:Unité.

Questions résiduelles

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 Modèle:Incise 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.

Métaphore du cocktail

Le physicien David J. Miller, spécialiste des particules élémentaires<ref>{{#invoke:Langue|indicationDeLangue}} Modèle:Lien web.</ref>, a comparé le boson et le mécanisme de Higgs à un cocktail réunissant les membres d'un parti politique<ref>{{#invoke:Langue|indicationDeLangue}} Modèle:Lien web.</ref>.

Le champ de Higgs est comparé au groupe des personnes qui, au départ, remplissent un salon de manière uniforme. Lorsqu'une personnalité 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, et c'est lui 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. Ceci 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'existe pas.

Masse de la matière ordinaire

Seulement 1 % de la masse de la matière 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 de nucléons (protons et neutrons). Or la masse des électrons étant très faible, 99 % de la masse des nucléons vient de l'énergie de liaison (par l'interaction forte) entre quarks, eux-mêmes également très légers<ref>Modèle:Lien web.</ref>.

Dénominations

Fichier:Higgs, Peter (1929).jpg
Peter Higgs en 2009.

Higgs n'en revendiquant lui-même nullement la paternité, certains, comme François Englert, estiment qu'il est plus pertinent de nommer cette particule « boson BEHHGK », d'après Brout, Englert, Higgs, Hagen, Guralnik et Kibble, simplifié parfois en « boson BEH », d'après Brout, Englert et Higgs<ref>François Englert, La Recherche, dossier, mai 2011, Modèle:P..</ref> (cette dernière dénomination étant adoptée aux Modèle:47es de Moriond sur la physique des particules à La Thuile en 2012<ref>Modèle:Lien web.</ref>), ou de l'appeler « boson scalaire massif »<ref>Modèle:Article</ref> ou encore « boson scalaire de brisure spontanée de symétrie (BSS) »<ref>François Englert, La Recherche, dossier, mai 2011, Modèle:P..</ref>. Modèle:Citation bloc

Les appellations Modèle:Citation et Modèle:Citation sont deux traductions du surnom Modèle:Citation étrangère. Ce surnom est en fait une modification imposée par l'éditeur du livre de Leon Lederman, qui a intitulé un ouvrage Modèle:Langue (mot à mot « la particule damnée », en français courant « la satanée particule » ou « la foutue particule »)<ref>Modèle:Lien web : Modèle:Citation bloc</ref>,<ref>Modèle:Lien web.</ref>. Ces appellations, largement employées par les médias, sont généralement réprouvées par les physiciens<ref>Modèle:Article.</ref>.

Notes et références

Modèle:Références

Annexes

Bibliographie

Articles connexes

Liens externes

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Bases de données et dictionnaires

Modèle:Liens

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