04/07/2012 - Qu'est-ce que le boson de Higgs ?

Menéame

Il s’agit d’un type de particule élémentaire qui est considéré comme ayant un rôle fondamental dans le mécanisme par lequel la masse dans l’Univers est produite. La confirmation ou la réfutation de leur existence est l’un des objectifs du Grand Collisionneur d’Hadron (LHC), le plus grand et le plus puissant accélérateur de particules au monde qui opère au Laboratoire européen de physique des particules (CERN) à la frontière franco-suisse, près de Genève.

Pourquoi le boson de Higgs est-il si important ?

Parce que c’est la seule particule prévue par le Modèle Standard de Physique des Particules qui n’a pas encore été découverte. Le Modèle Standard décrit parfaitement les particules élémentaires et leurs interactions, mais il reste une partie importante à confirmer, précisément celle qui répond à l’origine de la masse. Sans masse, l’Univers serait un endroit très différent. Si l’électron n’avait pas de masse, il n’y aurait pas d’atomes, ce qui n’aurait pas de matière telle que nous la connaissons, et il n’existerait donc pas de chimie, de biologie et d’existence.

Pour expliquer cela, plusieurs physiciens, dont le Britannique Peter Higgs, ont postulé dans les années 60 du XXe siècle un mécanisme connu sous le nom de "champ de Higg " . Tout comme le photon est le composant fondamental du champ électromagnétique et de la lumière, le champ de Higgs exige l’existence d’une particule qui le compose, que les physiciens appellent "boson de Higgins."

Comment fonctionne le mécanisme de Higgs ?

Le champ de Higgs serait une sorte de continuum qui s’étend sur tout l’espace, formé d’un nombre incalculable de bosons de Higgins. La masse des particules serait causée par une "friction" avec le champ de Higgs, de sorte que les particules qui ont une friction plus grande avec ce champ ont une masse plus grande.

Qu’est-ce qu’un "bon" ?

Les particules subatomiques sont divisées en deux types: fermions et bosons. Les fermiers sont des particules qui composent la matière, et les bosons portent des forces ou des interactions. Les composants de l’atome (électroniques, protons et neutrons) sont des fermions, tandis que le photon, le gluon et les boson W et Z, responsables respectivement des forces électromagnétiques, nucléaires fortes et nucléaires faibles, sont des bosons.

Comment peut-on détecter le boson de Higgs ?

Le boson de Higgs ne peut pas être détecté directement, car une fois produit, il se désintègre presque instantanément, donnant lieu à d’autres particules élémentaires plus familières. Ce qu’on peut voir, ce sont ses "empreintes", ces autres particules qui peuvent être détectées dans le LHC. À l’intérieur de l’anneau de l’accélérateur, les protons se heurtent les uns aux autres à une vitesse proche de celle de la lumière.

Lorsque les collisions se produisent à des points stratégiques où sont situés de grands détecteurs, l’énergie du mouvement est libérée et disponible pour la production d’autres particules. Plus l’énergie des particules qui s’écrasent peut être élevée, plus elles peuvent en avoir, selon la célèbre équation d’Einstein E=mc2.

Parce que la théorie n’établit pas sa masse mais une large gamme de valeurs possibles, il faut des accélérations très puissantes pour explorer ce nouveau territoire de la physique. Le LHC est l’aboutissement d’une "échelle énergétique " visant à découvrir le boson de Higgs dans les accélérateurs de particules. Une fois atteint sa puissance maximale en 2014, le LHC explosera une énergie proche de 14 téraélectronvolts (TeV). Il fonctionne actuellement à un peu plus de la moitié, 8 TeV. En tout état de cause, si elle existe, la particule de Higgs sera produite dans le LHC.

Quand saura-t-on si le boson de Higgs a été trouvé ?

En physique des particules, le concept d’observation est défini statistiquement en termes d’écarts standard ou de "sygmes," qui indiquent la probabilité qu’un résultat expérimental soit dû au hasard plutôt qu’à un effet réel.

Pour avoir une plus grande signification statistique, et donc augmenter les probabilités d’observation, les expériences doivent analyser de nombreuses données. Le LHC génère environ 300 millions de collisions par seconde, ce qui fait que la quantité de données à analyser est énorme. Il est mesuré en femtobarns inverses, unité qui donne une idée de la quantité de collisions qui se produit dans un accélérateur de particules par unité de zone et de temps (luminosité).

Si une mesure est prise 5 sigmes de niveau de certitude On parle d'"observation." Pour atteindre 5 sigmas, nous devrions faire face plus de 20 fois d’affilée, une probabilité inférieure à 0,00006%. Pour être sûr qu’une observation correspond à un boson de Higgs du Modèle Standard et non à une autre particule, il sera nécessaire d’étudier en détail et avec plus de données les propriétés de la nouvelle particule. En particulier, si la façon dont elle se produit et se désintègre est conforme à ce que la théorie a prédit ou non, ce qui serait encore plus intéressant.

Qu’est-ce qu’on sait jusqu'au boson de Higgs ?

Des recherches directes effectuées sur les anciens accélérateurs de particules comme le LEP du CERN et Tevatron, du Laboratoire Fermi des États-Unis, ont établi que la masse du boson de Higgs doit être supérieure à 114 GeV (gigaelectronvolts; 1 gigaelectronvoltio équivaut approximativement à la masse d’un proton). D’autres preuves indirectes observées dans des processus physiques impliquant le boson de Higgs ont rejeté une masse supérieure à 158 GeV.

Résultats sur la recherche du boson de Higgs dans le LHC ont été présentés au CERN en décembre 2011, obtenus à partir de 5 femtobarn inverses de données collectées depuis2010. Ces résultats ont montré que la plage de masse la plus probable se situe entre 116 et 130 GeV (gigaelectronvoltios), selon l’expérience ATLAS, et entre 115 et 127 GeV, selon l’expérimentation CMS. Le plus intéressant est que les deux grandes expériences du LHC ont vu des signes de sa présence dans la région comprise entre 124 et 126 GeV.

Le 4 juillet prochain, ATLAS et CMS présenteront au CERN de nouveaux résultats sur la recherche du Higgs avec 10 femtobarn inverses de données au total accumulées en 2011-2012. À la fin de 2012, la quantité de données obtenues par ATLAS et CMS devrait permettre de confirmer ou d’exclure définitivement l’existence du boson de Higgs prévu par le Modèle Standard.

Et si on découvre le boson de Higgs ?

Ce serait le début d’une nouvelle phase dans la physique des particules. Il marquerait le chemin dans la recherche de nombreux autres phénomènes physiques comme la nature de la matière obscure, un type de matière qui compose 23

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