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Boson de Higgs

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Boson de Higgs ou boson BEH
Événements candidats au boson de Higgs dans des collisions entreprotonsauLHC.En haut, dans l'expérienceCMS,une désintégration en deuxphotonsen vert. En bas, dans l'expérienceATLAS,une désintégration en quatremuonsen rouge.
Propriétés générales
Classification
Composition
élémentaire
Famille
Groupe
Symbole
H0
Propriétés physiques
Masse
125,11±0,11GeV(ATLAS 2023)[1]
Charge électrique
0C
Charge de couleur
0
Spin
0
Parité
+1
Durée de vie
1,56 × 10−22s(modèle standard)
Historique
Prédiction
Découverte
(annonce)
(confirmation)

modifier-modifier le code-modifier WikidataDocumentation du modèle

De gauche à droite:Kibble,Guralnik,Hagen,EnglertetBrout,en 2010.

Leboson de HiggsÉcouterouboson BEHÉcouter,est uneparticule élémentairedont l'existence, postulée indépendamment enjuin 1964parFrançois EnglertetRobert Brout,parPeter Higgs,en août, et parGerald Guralnik,Carl Richard HagenetThomas Kibble,permet d'expliquer labrisurede l'interaction unifiée électrofaible(EWSB, pour l'anglaiselectroweak symmetry breaking) en deuxinteractionspar l'intermédiaire dumécanisme de Brout-Englert-Higgs-Hagen-Guralnik-Kibbleet d'expliquer ainsi pourquoi certaines particules ont une masse et d'autres n'en ont pas[5].

Son existence a été confirmée de manière expérimentale en2012grâce à l'utilisation duLHCet a conduit à l'attribution duprix Nobel de physiqueà François Englert et Peter Higgs en2013[6].

Lemécanisme de Higgsconfère unemassenon nulle auxbosons de jaugede l'interaction faible(bosons Wetboson Z), leur conférant des propriétés différentes de celles du boson de l'interaction électromagnétique,lephoton.Il est également à l'origine de la masse desfermions,notamment desquarkset desélectrons.En revanche, il n'est pas à l'origine de l'essentiel de la masse desnoyaux atomiques,qui provient de l'énergie de liaisonentre les quarks.

La détection du boson de Higgs constitue l'une des clefs de voûte dumodèle standard de la physique des particules[7].À ce titre, il a parfois été dénommé « particule de Dieu ». La connaissance de ses propriétés pourrait par ailleurs orienter larechercheau-delà du modèle standard et ouvrir la voie à la découverte d'unenouvelle physique,telle que lasupersymétrieou lamatière noire[8].

Symbole

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Le symbole du boson de Higgs est H0.

Propriétés

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Lemodèle standard de la physique des particulesne prédit l'existence que d'un seulbosonBEH: on parle de« boson de Higgs standard ».Desthéories au-delà du modèle standard,telles que lasupersymétrie,autorisent l'existence de plusieurs bosons de ce type, de masses et de propriétés différentes[réf. nécessaire].

La théorie EWSB prédit pour le boson de Higgs des propriétés quantiques très particulières: un spin de 0, unefonction d'ondequi ne change pas lors d'uneinversion de charge et de parité(spin/CP[Quoi?]de 0+), et une interaction avec lui-même par auto-couplage. Cette combinaison de propriétés le rend différent de toute autre particule fondamentale connue. En revanche, la théorie ne prédit pas sa masse[9].

La valeur la plus précise (environ 0,2 %) de la masse du boson de Higgs H0a été obtenue en 2020 par l'équipe dudétecteur de particulesCMS:125,38 ± 0,14GeV/c2.Le spin/CP de 0+n'a pas été explicitement démontré, mais l'hypothèse d'un spin devaleur 1a été invalidée (parce que l'un des modes de désintégration du boson de Higgs produit deuxphotons,despin 0) ainsi qu'un grand nombre d'autres hypothèses plus exotiques. Lesconstantes de couplagede H0avec lesbosons W et Zont été mesurées avec une incertitude de 6 %, de même qu'avec lesquarkstopetbottomet avec lesleptonstau(les quarks et leptons de troisième génération), avec une incertitude de 7 à 11 %[9].

Historique des recherches expérimentales

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Une des voies possibles de formation d'un boson de Higgs neutre à partir de deuxquarkset l'échange debosonsélectrofaibles.

Le boson de Higgs semble en 2000 être mis en évidence auLEPduCERN.Lasignification statistiqueest 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[10].

La recherche duboson scalaire(ou boson de Higgs) est l'une des priorités initiales duLHC,accélérateur de particulessuccesseur du LEP, opérationnel depuis le.Les expériencesCMSetATLASauLHCannoncent enavoir observé des excès cohérents autour de 124 à 126GeV c−2[11].Ces excès, inférieurs à trois fois l'écart type[réf. nécessaire],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 gamme116–130GeVselon les expérimentations ATLAS et115–127GeVd'après celles du CMS[11].

Le,le CERN annonce avoir identifié, avec un degré de confiance de 99,999 97 % (5σ), un nouveau boson dans un domaine de masse de l'ordre de 125–126GeV c−2,qui paraît compatible avec celui du boson de Higgs[12].L'annonce est suivie, le,par lapublicationde deux articles dans larevuePhysics Letters B[13],[14].Le,le CERN confirme que, selon toute vraisemblance, il s'agit bien du boson de Higgs[15],[16].

Le,les physiciens du CERN annoncent avoir détecté, grâce aux détecteurs ATLAS et CMS, la désintégration du boson en une paire dequarks bottom,confortant ainsi lemodèle standard[17],[18].

Principe

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L'existence du boson scalaire (BEH) est trop brève (de l'ordre de 10−22s[9]) pour qu'on le détecte directement: on ne peut espérer observer que ses produits de désintégration, voire les produits de désintégration de ces derniers[19].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 propremasse[réf. nécessaire].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 avec lechamp de Higgs[20].

Enfin, la complexité des phénomènes intervenant tant dans la production que dans la détection de ces bosons conduit à raisonner en termes destatistiques,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 0,000 06%,correspondant à unintervalle de confiancede5σ[21].Une telle démarche statistique implique donc de provoquer un très grand nombre de collisions lors des expériences pour aboutir à ces niveaux de probabilité[22].

Instruments et expériences

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

  • auLEP(collisionneurélectron-positron):ALEPH,DELPHI,L3etOPAL.Pour la recherche du boson de Higgs, le LEP pèche par son énergie relativement faible. Le LEP a fonctionné de 1989 à 2000;
  • auTevatron(collisionneur proton-antiproton):DØetCDF.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;
  • auLHC(collisionneurproton-proton):ATLASetCMS.Le LHC fonctionne depuis 2009.

Domaines d'exclusion

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Domaines d'exclusion de l'énergie du boson scalaire au.

Les expériences passées conduisaient à exclure cettemasse au reposdu boson de Higgs de certains intervalles:

  • il était exclu avec unintervalle de confiancede 95 % par des expériences s'étant déroulées au LEP qu'elle soit inférieure à 114,4GeVc−2;
  • il était exclu à 95 % par les expériences CDF et DØ au Tevatron qu'elle soit comprise entre 156 et 177GeV c−2;
  • il était exclu à 95 % (respectivement 99 %) par l'expérience CMS au LHC qu'elle soit comprise entre 127 et 600GeV c−2(respectivement 128 et 225GeV/c2) et dans un intervalle similaire par l'expérience ATLAS;
  • en,une publication du Tevatron[23]renforce l'exclusion du domaine 147–179 GeV] et la probabilité, supérieure à 97 % (2,2σ), que le Higgs soit en revanche situé dans l'intervalle115-135 GeV];
  • en 2019, le CERN publie un résultat de125,35±0,15GeV(CMS 2019)[1];
  • en 2023, le CERN publie un résultat de125,11±0,11GeV(ATLAS 2023)[1].

Origine de la masse

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Peter Higgs lors de la conférence de presse de la remise desprix Nobel2013.

Plusieurs questions ont été posées concernant, entre autres, le mécanisme et la masse desbosons.Pour apporter une réponse à ces questions, la notion debrisure de symétrieest introduite, dans lathéorie électrofaible.

Symétrie et brisure de symétrie

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Les régularités dans le comportement des particules sont appelées symétries et elles sont étroitement reliées auxlois 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 (voirthéorème 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 deuxfermions(spindemi-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?

Lessymétries de jaugerequièrent que les transmetteurs de force (bosons de jauge) soient de masse nulle. Pour contourner le problème de la masse des bosons,Salam,GlashowetWeinbergont 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 HiggsetPhilip Warren Anderson.

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

Champ de Higgs

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Contrairement à tous les autreschampsconnus, tels que lechamp électromagnétique,le champ de Higgs est unchamp scalaireet a une valeur constante non nulle dans le vide[24].Le champ de Higgs différerait des autres champs en ce qu'à bassetempérature(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'unfermionou 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 labrisure de la symétrieà 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 lesneutrinos,qu'on croyait jusqu'à récemment de masse nulle; vient ensuite l'électron avec une masse de 0,511MeVc−2.Tout en haut de l'échelle vient lequark top,qui est de loin la particule élémentaire la plus lourde avec ses 175GeV c−2.

Questions résiduelles

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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 — ce qu'on appelle le couplage — 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

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Le physicien David J. Miller, spécialiste des particules élémentaires[25],a comparé le boson et le mécanisme de Higgs à un cocktail réunissant les membres d'un parti politique[26].

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

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Seulement 1 % de la masse de lamatière ordinairepeut être considérée comme causée par le champ de Higgs. En effet, la matière usuelle est faite d'atomes,eux-mêmes composés d'électronset denucléons(protonsetneutrons). Or la masse des électrons étant très faible, 99 % de la masse des nucléons vient de l'énergie de liaison(par l'interaction forte) entrequarks,eux-mêmes également très légers[27].

Dénominations

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Peter Higgsen 2009.

Higgs n'en revendiquant lui-même nullement la paternité, certains, commeFrançois Englert,estiment qu'il est plus pertinent de nommer cette particule « boson BEHHGK », d'aprèsBrout,Englert,Higgs,Hagen,GuralniketKibble,simplifié parfois en « boson BEH », d'après Brout, Englert et Higgs[28](cette dernière dénomination étant adoptée aux47esRencontres de Moriond sur la physique des particules àLa Thuileen 2012[29]), ou de l'appeler « boson scalaire massif »[30]ou encore « boson scalaire de brisure spontanée de symétrie (BSS) »[31].

« Notre article a paru dans lePhysical Review Lettersdu 31 août 1964 au moment où l'article de Higgs était seulement déposé. Et celui-ci cite d'ailleurs notre texte. Nous avons donc l'antériorité. Ce que Peter Higgs reconnaît bien volontiers. Disons qu'il y a eu codécouverte, de manière indépendante mais complémentaire. L'approche mathématique en était différente. Nous ne nous connaissions pas. On a commencé à appeler cette particule « boson de Higgs » et on n'a pas changé, alors que les scientifiques, eux, savent que c'est le « boson de Brout-Englert-Higgs » et le champ BEH. Je préfère d'ailleurs l'appeler encore autrement, c'est-à-dire « boson scalaire » et « champ scalaire », ce qui décrit mieux la structure de ce boson. »

— François Englert, interviewé dansLa Libre Belgique[32]

Les appellations« particule-Dieu »et« particule de Dieu »sont deux traductions du surnom«God Particle».Ce surnom est en fait une modification imposée par l'éditeur du livre deLeon Lederman,qui a intitulé un ouvrageThe Goddamn Particle(mot à mot « la particule damnée », en français courant « la satanée particule » ou « la foutue particule »)[33],[34].Ces appellations, largement employées par les médias, sont parfois réprouvées par les physiciens[35].

Notes et références

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  1. ↑abetc«ATLAS réalise une nouvelle mesure de précision de la masse du boson de Higgs», surCERN,.
  2. ↑(en)FrançoisEnglertetRobertBrout,«Broken Symmetry and the Mass of Gauge Vector Mesons»,Physical Review Letters,vol.13,no9,‎,p.321-321(DOI10.1103/PhysRevLett.13.321,Bibcode1964PhRvL..13..321E,lire en ligne[PDF],consulté le)
  3. ↑(en)Peter W.Higgs,«Broken Symmetries and the Masses of Gauge Bosons»,Physical Review Letters,vol.13,no16,‎,p.508-509(DOI10.1103/PhysRevLett.13.508,Bibcode1964PhRvL..13..508H,lire en ligne[PDF],consulté le)
  4. ↑(en)Gerald S.Guralnik,Carl R.HagenetThomas W. B.Kibble,«Global Conservation Laws and Massless Particles»,Physical Review Letters,vol.13,no20,‎,p.585-587(DOI10.1103/PhysRevLett.13.585,Bibcode1964PhRvL..13..585G,lire en ligne[PDF],consulté le)
  5. ↑«Foire aux questions: le Higgs!»,Bulletin du CERN,nos28-29,‎(lire en ligne).
  6. ↑(en)«The Nobel Prize in Physics 2013», surprix Nobel(consulté le).
  7. ↑«Le boson de Higgs, une énigme de la physique en passe d'être résolue»,France Info,‎(lire en ligne).
  8. ↑«Le boson de Higgs», surCERN.ch,.
  9. ↑abetc(en)Haider Abidi, Heather M. Gray et Martina L. Ojeda, «Lessons from a decade with the Higgs boson»,Physics Today,‎(DOI10.1063/PT.6.4.20220630bAccès libre).
  10. ↑(en)The LEP Working Group for Higgs Boson Searches,conférence ICHEP'02, Amsterdam, juillet 2002.
  11. ↑aetb(en)«ATLAS & CMS experiments present Higgs search status», surCERN,.
  12. ↑«Les expériences du CERN observent une particule dont les caractéristiques sont compatibles avec celles du boson de Higgs tant attendu»,Bulletin du CERN,‎(lire en ligne).
  13. ↑(en)GeorgesAadet al.(ATLAS collaboration), «Observation of a new particle in the search for the standard model Higgs boson with the ATLAS detector at the LHC»,Physics Letters B,vol.716,no1,‎,p.1-29(DOI10.1016/j.physletb.2012.08.020,Bibcode2012PhLB..716....1A,arXiv1207.7214,lire en ligne[PDF],consulté le).
  14. ↑(en)SergueiChatrchyanet al.(CMS collaboration), «Observation of a new boson at a mass of 125 GeV with the CMS experiment at the LHC»,Physics Letters B,vol.716,no1,‎,p.30-6 1(DOI10.1016/j.physletb.2012.08.021,Bibcode2012PhLB..716...30C,arXiv1207.7235,lire en ligne[PDF],consulté le).
  15. ↑«De nouveaux résultats indiquent que la particule découverte au CERN est un boson de Higgs», communiqué de presse, surBureau de presse, CERN,(consulté le).
  16. ↑«De nouveaux résultats indiquent que la particule découverte au CERN est un boson de Higgs», Bureau de presse, CERN,.
  17. ↑La désintégration du Higgs en quarks b enfin observée,CERN,le 28 août 2018.
  18. ↑Boson de Higgs: l'origine de la masse des quarks se précise,Futura,le 30 août 2018.
  19. ↑PaulColaset BorisTuchming,«Qui attrapera le Higgs?»,Les dossiers de La Recherche,no23,‎,p.20-27.
  20. ↑«Il est très plausible que le boson de Higgs existe»(Archive.org•Wikiwix•Archive.is•Google•Que faire?),surL'Internaute,.
  21. ↑«Qu'est-ce qu'un résultat significatif pour le boson de Higgs?», surMédiapart,.
  22. ↑Selon les conventions en vigueur enphysique des particules,l'annonce d'une découverte nécessite cinq déviations standards, ce qui correspond à une probabilité de 99,99994 %, trois déviations standards (probabilité de 99,73 %) ne permettant de conclure qu'à une« observation ».
  23. ↑(en)Tevatron experiments report latest results in search for Higgs boson,Fermilab,7 mars 2012.
  24. ↑L’hypothétiqueinflaton,forme d'une matière hypothétique responsable de l'inflation cosmique,serait également un champ scalaire appelé « champ scalaire primordial »
  25. ↑(en)«Page personnelle de David J. Miller», surHigh Energy Group,University College de Londres.
  26. ↑(en)«A quasi-political Explanation of the Higgs Boson»,.
  27. ↑AchintyaRao,«Why would I care about the Higgs boson?»,CMS Public Website,CERN,(consulté le).
  28. ↑François Englert,La Recherche,dossier, mai 2011,p.30.
  29. ↑(en)Valerie Jamieson, «What to call the particle formerly known as Higgs», surNew Scientist,.
  30. ↑(en)François EnglertetRobert Brout,«Broken Symmetry and the Mass of Gauge Vector Mesons»,Physical Review Letters,vol.13,no9,‎,p.321-323
  31. ↑François Englert,La Recherche,dossier, mai 2011,p.28.
  32. ↑GuyDuplat,«Le boson devrait lui donner le Nobel»,La Libre Belgique,‎(lire en ligne).
  33. ↑«Physique: découverte de la « particule de Dieu »?»,La Presse,(consulté le):

    « Le prix Nobel de physiqueLeon Ledermanvoulait titrerThe Goddamn particle(« La fichue particule ») pour exprimer la frustration de recherches vaines jusque là. Et l'éditeur a coupé«damn»,craignant peut-être que«goddamn»soit perçu comme injurieux. »

  34. ↑(en)«The Higgs Boson and the Nobel: Why We Call It the 'God Particle'», surForbes,(consulté le).
  35. ↑(en)Robert Evans, «The Higgs boson: Why scientists hate that you call it the ‘God particle’»,National Post,‎(lire en ligne).

Annexes

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Bibliographie

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Articles connexes

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Liens externes

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