Boson de Higgs: de l'importance de la découverte d'une 25e particule par le Cern

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Elle a toutes les chances d’être le boson de Higgs traqué depuis 25 ans. Un moment historique pour la physique.

Le 4 juillet 2012, à 10h35, les applaudissements fusent dans la salle de conférence du Cern. Fabiola Gianotti, porte-parole de l’expérience Atlas, vient d’afficher sur son powerpoint les chiffres que tout le monde attend: la masse de la particule mystère et le taux de confiance dans les mesures effectuées.

126,5 giga-électronvolts (GeV); 5 sigma.

Ces deux chiffres signent officiellement une découverte.

Grâce à la plus grosse machine jamais construite sur Terre pour réaliser des expériences de physique, le LHC (Large hadron collider) de Genève, les physiciens viennent officiellement de découvrir une nouvelle particule. Elle a toutes les apparences de ce que la théorie prédisait sous l’appellation «boson de Higgs». S’agit-il bien d’elle, cette fameuse 25e particule? Pour Etienne Klein, physicien au CEA, tout semble converger dans ce sens.  

«La nouvelle particule a tous les traits du boson de Higgs. Pour en être absolument certain, il faut poursuivre le dépouillement des données ce qui devrait être achevé d’ici la fin de 2012.»

Pourquoi cette nouvelle est-elle importante?

1. Parce qu’elle conforte la théorie sur laquelle la recherche en physique se base depuis des décennies

Le boson de Higgs n’est rien d’autre qu’une solution à un problème. Cette solution date de 1964, année où un groupe de 5 physiciens parmi lesquels se trouve l’Anglais Peter Ware Higgs, tentent de sortir la physique d’une ornière. Pour comprendre le problème, difficile de ne pas mettre un pied dans l’univers des particules élémentaires qui compose la matière qui nous entoure.

Nous connaissons tous les atomes et leurs composants: le noyau constitué de protons et de neutrons et les électrons qui gravitent autour du noyau. Les protons et les neutrons du noyau permettent de poursuivre le jeu des poupées russes. En effet, ils sont constitués d’une foule de particules dites élémentaires, c'est-à-dire qui ne contiennent pas d’autres particules.

On compte ainsi 24 composants élémentaires dans un atome classés en deux catégories: 12 fermions et 12 bosons. Les fermions sont les constituants ultimes de la matière et les bosons transportent les quatre forces fondamentales (nucléaire forte, électromagnétique, nucléaire faible, gravité) qui régissent l’univers.

Cela se complique un peu lorsque les physiciens découvrent que 3 des 12 bosons, baptisés W+, W- et Z0, ont une masse! En effet, car il se trouve que l’un des principes de la physique des particules, rassemblés dans la théorie que l’on nomme modèle standard, interdit à ces bosons qui véhiculent 3 des 4 forces fondamentales d’avoir une masse. Et c’est justement le cas des 2 W et du Z. Ils ne devraient donc pas avoir de masse, comme les photons. Or l’expérience montre qu’ils en ont une et pas des moindres puisqu’ils pèseraient 100 fois plus que les protons. Catastrophe! Tout l’édifice patiemment construit par les physiciens pendant une cinquantaine d’années vacille.

Par chance, en 1964, donc, Peter Higgs et ses quatre collègues proposent une solution: la brisure spontanée de symétrie… Pas question d’en comprendre les mécanismes intimes. Cela relève du pré-carré des physiciens. En gros, dans un système composé de billes en équilibre et disposées de façon symétriques, certaines perdraient spontanément cet équilibre et, en tombant, romprait la symétrie de l’ensemble. Cela n’avance guère mais, au-delà, on sort du domaine de la vulgarisation.

Toujours est-il que grâce à l’imagination d’un tel mécanisme, Peter Higgs et ses collègues permettent non seulement d’expliquer la masse des bosons W et Z mais également celle de toutes les particules de la famille des fermions dont nous avons parlé plus haut. Il suffit, pour cela, d’ajouter une 25e particule à la panoplie du modèle standard: le boson de Higgs.

Pour rendre quelque peu palpable ce que représente ce boson supplémentaire, la plupart des vulgarisateurs utilisent l’analogie d’une salle de cocktail. Les invités, des physiciens par exemple, discutent entre eux tout en sirotant leur coupe de champagne. Soudain, une célébrité, Einstein au hasard, fait son entrée et tente de traverser la salle. Aussitôt les physiciens convergent vers lui et s’agglutinent de plus en plus sur sa trajectoire. Einstein a de plus en plus de mal à avancer. Tout se passe comme s’il devenait de plus en plus lourd. Cela se passe comme ça dans un champ de Higgs dont le porteur est le boson de Higgs. Plus les particules interagissent avec lui, plus elles sont lourdes.

Grâce à ce mécanisme subtil aux conséquences multiples puisqu’il pourrait expliquer pourquoi la masse, en général, existe, le modèle standard est sauvé. Enfin presque, car il reste une formalité: démontrer, par l’expérience, que l’hypothèse du boson de Higgs est bien une réalité. C’est l’une des grandes missions du LHC. La justification de la construction d’un tel accélérateur était d’atteindre les niveaux énergies capables de mettre en évidence l’existence ou l’absence du boson de Higgs.

2. Parce qu’il était grand temps que la physique obtienne un succès marquant

Depuis un siècle, si elle a fait des découvertes majeures (relativité d’Einstein, physique quantique), elle a aussi buté sur des problèmes épineux. Aucune théorie ne s’impose pour unifier celle qui décrit l’infiniment grand (relativité) et celle de l’infiniment petit (modèle standard). De plus, dans cette dernière, il existait un trou.

Pour le combler, il fallait percer le mystère de l’existence du boson de Higgs. C’est donc pratiquement fait. Et on comprend le soulagement et la joie des milliers de physiciens qui travaillent sur ce sujet au Cern. Surtout après la désastreuse erreur qui leur avait fait trop hâtivement conclure à un dépassement de la vitesse de la lumière par les neutrinos, fin 2011.

Depuis, ils ont travaillé d’arrache-pied pour atteindre le degré de confiance dans leurs observations qui leur permet d’officialiser la découverte de la nouvelle particule, soit 5 risques d’erreur sur 10 millions, les fameux 5 sigma.

L’importance de la découverte réside dans la démonstration de la capacité des physiciens à imaginer des composants de la matière par le pur calcul et de vérifier ensuite par l’expérience la justesse de leurs prévisions.

Pour exister, le boson de Higgs devait avoir une masse: 126,5 GeV est l’énergie qui correspond à cette masse via la fameuse équation E=MC2.

L’étape est décisive non seulement pour conforter la théorie du modèle standard mais aussi, probablement, pour expliquer l’existence de la masse en général dans l’univers. Or, il s’agit là d’un problème majeur puisqu’environ 96% de la masse calculée de l’univers reste encore invisible pour les physiciens. Le boson de Higgs pourrait ouvrir la voie de la compréhension du mystère de la matière noire.

3. Parce qu’elle justifie l’existence du Cern

La recherche en physique est devenue, avec l’exploration spatiale, l’un des domaines les plus coûteux en raison de la taille et de la puissance nécessaire pour construire les fameux accélérateurs de particules qui permettent de réaliser les expériences nécessaires.

En 2011, l’équivalent américain du LHC du Cern, le Tevatron du Fermilab, a fermé ses portes faute d’argent. Achevé en 1983, il avait coûté 120 millions de dollars. Le LHC, mis en fonctionnement  en 2008, représente un investissement de 6,5 milliards d’euros, dont 5 milliards d’euros pour l’installation elle-même. Il s’agit donc bien de la plus coûteuse machine jamais construite dans le monde.

Son fonctionnement lui-même revient très cher. Le LHC consomme 120 MW, sur les 230 MW pour l’ensemble du Cern. Cela représente les besoins en électricité des ménages de l’ensemble du canton de Genève. Du coup, le LHC ne fonctionne pas en hiver. Certains avancent que, en dehors du coût de l’électricité, les habitants du canton seraient privés de chauffage électrique sans cette interruption…  Le coût annuel de fonctionnement voisinerait les 20 millions d’euros.

Le LHC est aussi la plus grande machine jamais construite sur Terre avec ses 27 km de circonférence enterré à une profondeur moyenne de 100 mètres. Elle abrite des détecteurs de particules tout aussi gigantesques. Ainsi, Atlas mesure 35 m de large, 55 m de long et 40 mètres de haut.

Dans une période de crise économique comme celle que traverse l’Europe, il ne fait pas de doute que le LHC se trouve dans le collimateur des financiers. D’autant que ses débuts ont été laborieux. A peine inauguré, le 10 septembre 2008, avec la circulation du premier faisceau de particules, une panne est survenue le 19 septembre avec une fuite de 6 tonnes d’hélium liquide et l’endommagement de 53 aimants.

Les réparations ont duré jusqu’au 20 novembre 2009. Depuis, on attend des résultats. En justifiant dès le début du projet, pour une importante partie, la construction du LHC par la traque du Boson de Higgs, le Cern s’est lui-même mis la tête sur le billot. Que les spécialistes répètent à loisir qu’un échec ne serait pas bien grave ou qu’il serait même aussi instructif qu’une réussite ne change rien à l’affaire.

Le LHC avait donc tout intérêt à faire une découverte à l’échelle de sa démesure. Dans l’immédiat, seule la mise en évidence de l’existence du Boson de Higgs pouvait être à la hauteur des attentes du public comme des scientifiques et des financiers.

Les prochaines étapes

Comme l’ont dit tous les intervenants lors de la conférence du 4 juillet 2012, «il reste du pain sur la planche». Les deux-tiers des données déjà acquises n’ont pas été dépouillées. Il reste également à publier les résultats obtenus dans une grande revue, sans doute Nature ou Science. Puis à étudier les propriétés de la nouvelle particule pour vérifier qu’elle possède bien les caractéristiques prévues par Higgs et ses collègues. Si c’est le cas, le modèle standard tel qu’il est aujourd’hui sera validé une nouvelle fois. Si ce n’est pas le cas, comme l’indique Etienne Klein, «une nouvelle physique naîtra».

De toutes façons, le 4 juillet va ajouter une célébration à celle l’indépendance des Etats-Unis: celle de la découverte d’une nouvelle particule. Il conduira aussi, sans grand doute, à l’obtention du prix Nobel de physique par Peter Higgs, 83 ans, et présent ce mercredi au Cern. Probablement avec certains de ses collègues encore vivants, comme François Englert et Tom Kibble.

Michel Alberganti