L'existence pose problème

Le boson de Higgs

Juillet/août 2022 - Science et Avenir - La Recherche - n° 905/906

1964. Avec ses collègues, l'Américain Robert Brout (1928-2011) et le Belge François Englert (né en 1932), le physicien écossais Peter Higgs (né en 1929) théorise l'existence de cette particule. Elle donne leur masse aux particules qui composent la matière. Vecteur de force, le boson élémentaire sert de colle et lie la matière

Stéphanie Beauceron, physicienne. Institut de physique nucléaire de Lyon. Un quark (particule fondamentale sensible à l'interaction forte) qui pénètre dans le champ acquiert une masse. Sans le boson de Higgs, pas de rencontres entre les particules. Pas de création des protons et neutrons, qui combinés aux électrons, forment la matière

Pour être mises en mouvement, en raison de leur masse dite inertielle, certaines particules ont besoin de plus d'énergie que d'autres. Mais les masses des particules ne s'expliquent pas, par leur taille ou leur composition. Ces particules élémentaires ne sont pas faites de matière. Infimes, parler de taille n'est pas pertinent

Ainsi, le muon, particule instable, possède les mêmes caractéristiques que l'électron, mais il est 207 fois plus massif que lui

Peter Higgs, François Englert et Roger Brout proposent une explication à la masse inertielle des particules élémentaires. Elles baignent dans un nouveau champ quantique, le champ de Higgs. Les particules se déplacent dans ce champ et interagissent avec lui

La masse de la particule est la mesure de son inertie -sa difficulté à se mouvoir dans le vide

En fonction de la particule, l'interaction du champ de Higgs diffère et confère à chacune, une masse propre. Le champ interagit bien plus fortement avec le muon, qu'avec l'électron

Aucune action avec le photon -dit sans masse. Le photon, concept pour expliquer les interactions entre les rayonnements électromagnétiques et la matière. Les particules sans masse de repos ne sont jamais au repos ; elles se déplacent à la vitesse de la lumière et véhiculent de l'énergie

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Quatre interactions fondamentales régissent l'Univers

l'interaction électromagnétique. Cohésion des atomes, les électrons (charge électrique négative) sont attirés par le noyau de l'atome (charge électrique positive)

l'interaction faible. La radioactivité, qui permet au Soleil de briller

l'interaction nucléaire forte -permet au sein du proton et du neutron, la cohésion du noyau de l'atome. Courte portée

l'interaction gravitationnelle. L'attraction mutuelle entre deux corps de masses non nulles. Pesanteur, mouvement des planètes, expansion de l'Univers

Le champ de Higgs est indispensable au modèle standard, pour expliquer la brisure de symétrie qui se manifeste par

la portée infinie de la force électromagnétique. Le photon -sans masse, charge électrique nulle

et la portée limitée de la force faible -responsable de la désintégration radioactive des particules subatomiques. A l'origine de la fusion nucléaire dans les étoiles

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4 juillet 2012. Cern, Conseil européen pour la recherche nucléaire, Genève. Grand collisionneur de hadrons (LHC). Hadrons, famille de particules composites. Lors de collisions à très grande vitesse entre des milliards de particules, le boson de Higgs apparaît une fraction de seconde

Sur l'anneau du LHC du Cern (27 km de circonférence), les détecteurs Atlas et CMS. La collision entre deux protons engendre un boson de Higgs, qui se désintègre en deux photons

La masse du boson de Higgs est mesurée, avec une précision d'environ 0,1 %

Les scientifiques ne voient pas le boson de Higgs, ils observent les éclats de sa désintégration. Les particules produites sont instables, avec un temps de vie très court. La détection de ces particules est une preuve indirecte de la présence du boson

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2022. Cédric Delaunay, CNRS, physique théorique. Un boson trop sage. Les caractéristiques du boson correspondent aux prévisions du modèle standard. De ce fait, il hérite des imperfections du modèle

Avec précision, le modèle décrit le comportement des particules élémentaires et leurs interactions. Mais ces particules ne représentent que 5 % du total de la matière et l'énergie contenues dans l'Univers

95 %, nature hypothétique

A ce jour, aucune particule ne correspond

à la matière noire 25 %. La matière noire se concentre au voisinage des galaxies

à l'énergie noire 70 %. Depuis près de six milliards d'années, l'énergie noire accélère l'expansion de l'Univers

Le modèle standard n'explique pas la disparition de l'antimatière, aussi abondante que la matière. Forme "miroir" de la matière, charge électrique contraire à ses composantes homologues

Les théoriciens imaginent un prolongement au modèle standard

La supersymétrie envisage l'existence de nouvelles particules, de masses supérieures à aux particules connues ; nouvelles particules, nouvelles interactions

Plus une particule est massive, plus elle est difficile à produire dans les détecteurs ; pour lui donner corps, beaucoup d'énergie est requise. E = mc2. L'énergie E égale la masse m, multipliée par le carré de la vitesse de la lumière c2

Jusqu'alors, les collisionneurs n'ont pas permis de faire jaillir ces particules -ou elles n'ont pas été détectées. Leur masse serait encore plus élevée ? Mais dans ce cas, l'existence du boson de Higgs pose problème

Les fluctuations quantiques du vide. En physique quantique, le vide n'est vide qu'en moyenne. Sans cesse agité par des particules, qui apparaissent et disparaissent. Ces particules éphémères interagissent avec les particules plus pérennes, modifient leurs propriétés

Cédric Delaunay, CNRS. Si des particules lourdes existent, elles contribuent aux fluctuations quantiques du vide. Elles interagissent avec le boson de Higgs. Il devrait subir une forte correction de sa masse

Le problème de hiérarchie est la principale énigme posée par la masse du boson de Higgs

Olcyr Sumensari, CNRS, physique théorique. La physique est caractérisée par la séparation des échelles. Pour comprendre la physique de la basse énergie, la physique des hautes énergies n'est pas nécessaire. Sauf pour le boson de Higgs. La valeur dans le vide du champ de Higgs est responsable de la masse des particules connues

Cédric Delaunay, CNRS. A cause de ces particules massives, le champ de Higgs devrait avoir une valeur plus importante. Les particules s'alourdiraient. Les détecteurs n'auraient pas dû observer des particules massives -le boson W et le boson Z, médiateurs de l'interaction faible

Les réactions nucléaires entre protons et neutrons seraient modifiées. Comment les atomes auraient-ils pu se former ?

Admettre qu'au-delà du modèle standard, il n'existe pas de nouvelle physique ? Alors pourquoi le modèle standard comporte-t-il des failles ?

Des indices plaident pour une liste de particules encore incomplète. Ainsi l'anomalie magnétique du muon, 207 fois plus massif que l'électron

Avril 2021. États-Unis, État de l'Illinois. Batavia, près de Chicago. Fermilab, expérience Muon g-2. Mesure du moment magnétique de la particule muon. Le résultat ne correspond pas à la prévision du modèle standard

Olcyr Sumensari, CNRS. Pour calculer le moment magnétique du muon, toutes les interactions avec les particules connues ont été étudiées. Si l'écart entre la théorie et la mesure est confirmé, les perturbations viennent nécessairement de particules inconnues

Cédric Delaunay, CNRS. La façon dont le boson de Higgs agit pour donner leur masse aux particules, est inconnue. Pour les particules les plus lourdes, le modèle standard l'explique dans l'ensemble. Pas vraiment pour les plus légères -par exemple, l'électron

Les expériences sont difficiles à mettre au point

Nicolas Berger, physicien. LAPTh Laboratoire d'Annecy-le-Vieux de Physique Théorique.

Genève, 5 juillet 2022. Après trois ans d'arrêt pour améliorations techniques, le redémarrage du LHC devrait en partie répondre à ces questions. L'étude des caractéristiques du boson de Higgs figure parmi les priorités du LHC

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Ainsi que tous les champs fondamentaux, le champ de Higgs est associé à une particule, le boson de Higgs

Dans un lointain passé, au cours des premiers instants de l'Univers (-13,8 milliards d'années jusqu'au Mur de Planck. Avant, l'inconnu), seules les particules qui ont interagi avec le champ de Higgs, ont acquis une masse

Le boson de Higgs possède lui-même une masse, au moins triple par rapport à celle définie en mathématiques ou mesurée au cours des expériences

Une masse étonnamment minime. 125,35 gigaélectronvolts () GeV), avec une précision de 0,15 GeV

Stéphanie Beauceron, physicienne. 125,35 GeV. A quelque 5 ou 10 GeV, le boson de Higgs évolue dans un univers métastable -assez proche de la stabilité. Théoriquement, l'Univers risque de disparaître en un éclair. Un univers stable aurait été préférable

Les équations du modèle standard peinent à décrire certains phénomènes qui interviennent à très haute énergie dans les accélérateurs

ou juste après le Big Bang

Dans les équations, les théoriciens ajoutent des corrections à la masse de base du boson, en fonction du type de particules qui interagissent avec lui

Plus les particules sont lourdes, plus la correction est importante

Pour le quark top, la plus lourde des particules élémentaires (presque autant qu'un atome d'or), la correction à apporter est si forte que la masse du boson devient invraisemblablement réduite

Les physiciens formulent des hypothèses

la supersymétrie. Elle postule une relation profonde entre les particules qui constituent la matière et les particules véhiculant les interactions. Existence de particules inconnues

ou une hypothèse, dérivée de la théorie des cordes. Le constituant fondamental n'est pas un objet ponctuel se déplaçant dans le temps (une particule élémentaire) mais un objet filiforme, une corde ; la corde joue le rôle de trajectoire pour les particules élémentaires

Deux théoriciens italiens (12 janvier 2022 - article publié dans les Physical Review Letters). Matière / antimatière, multitude d'univers parallèles, qui se sont annihilés

Le boson de Higgs aurait empêché l'Univers naissant de s'effondrer