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Le boson de Higgs? Attends, je te fais un schéma

Le boson de Higgs expliqué par PHD Comics - Capture d'écran

Le boson de Higgs expliqué par PHD Comics - Capture d'écran

«C’est Einstein qui arrive dans un cocktail de physiciens…» Et autres histoires utilisées pour faire comprendre le boson de Higgs à tous ceux qui se sont arrêtés avant le doctorat de physique.

Le prix Nobel de Physique 2013 est revenu le 8 octobre 2013 à François Englert et Peter Higgs pour «quelque chose de très petit mais qui fait toute la différence», comme l'a indiqué Staffan Normark, secrétaire permanent de l'Académie royale suédoise des sciences: le boson de Higgs.

Depuis le 4 juillet 2012 au matin, notre connaissance de l'univers a été transformée. C'est le moment qu'ont choisi les physiciens du LHC en Suisse, juste à la frontière française, pour annoncer les derniers résultats d'une quête qui les tient en haleine depuis plusieurs décennies, la recherche d'une particule fondamentale: le boson de Higgs –et ils l'ont réellement trouvée (ou, du moins, quelque chose qui y ressemble beaucoup).

Mais pourquoi s'intéresser à cette découverte, surtout quand on n'a pas de diplôme avancé en physique des particules? Peut-être que l'explication peinera à en convaincre certains, mais si les chercheurs ont en effet découvert le Higgs, il s'agit du progrès le plus considérable dans la compréhension de la structure fondamentale de notre univers –et donc de nous-mêmes– que notre espèce a accompli depuis l'élaboration du modèle standard, dans les années 1970. Comment rester indifférent quand ce genre d'événement est en train de se passer?

Quoi qu'il en soit, voici le moment où je suis censé expliquer ce que sont, exactement, le boson de Higgs et le champ de Higgs qui lui est associé. Si la théorie est exacte, l’interaction avec le champ de Higgs est ce qui donne aux particules, comme les protons et les neutrons (et, au final, aux atomes, aux molécules, et à n'importe quel écran sur lequel vous êtes en train de me lire) leur masse. Oh, et dans ce champ, le boson de Higgs est tout simplement un quantum d'excitation que des physiciens réussissent désormais à matérialiser grâce à d'énormes accélérateurs de particules.

Ce n'est pas encore assez clair? Peut-être que les diverses analogies, étranges et fascinantes, que les vulgarisateurs scientifiques ont utilisées ces derniers jours feront la différence. Je les ai regroupées en trois catégories, pour plus de commodité.

1. Le cas collant

Cette catégorie, qui implique en général un objet vierge de toute aspérité, une perle par exemple, et avançant dans une sorte de substance sirupeuse, est de loin la classe d'analogie la plus populaire et dont on nous a le plus rebattu les oreilles. On parle ainsi de barbe à baba, de mélasse, d'un plateau de cantine rempli de sucre et, en termes moins caramélisés, de grumeaux se formant dans du lait caillé –ce qui correspond à la production d'une particule unique à partir d'un champ plus large.

 

Variante piscine de mélasse

Voici comment la décrit le magazine Sciences et Avenir:

«Certaines particules évolueraient dans ce champ comme le feraient des nageurs dans une piscine de mélasse. Leur mouvement est ralenti de la même façon que s’ils pesaient un peu plus lourd. Et selon leur maillot de bain ou leur combinaison, ils "accrochent" plus ou moins de matière et ont donc un poids différent. A l’inverse, les photons seraient des nageurs olympiques équipés de combinaisons profilées qui se déplaceraient sans aucun frottement.»

Variante jeu de billes

Autre analogie fondée sur le même principe, celle proposée dans cette formidable petite vidéo, qui fait le maximum pour expliquer (en anglais) ce qu’est le boson, pourquoi on le cherche et pourquoi c'est –très– compliqué.

The Higgs Boson Explained from PHD Comics on Vimeo.

 

«Imaginez, explique l'auteur dans cette vidéo (à partir de 4 minutes 10), un champ qui imprègne tout l’univers —le champ de Higgs. Chaque particule [ici des billes, NDLR] sent ce champ, chacune en est affectée selon une ampleur variable. Certaines particules sont très ralenties par l’interaction avec ce champ, d’autres ne la ressentent presque pas. Ces dernières ont une faible masse. Celles qui sont très affectées par le champ ont une masse importante.»

Le boson de Higgs expliqué - capture d'écran de la vidéo de PHD Comics

Mais il s'avère, cependant, que Peter Higgs, physicien théoricien qui a donné son nom à la particule, n'aime pas vraiment ces exemples visqueux. Il leur préfère une explication plus sociale.

2. Margaret Thatcher arrive dans une pièce bondée

Interrogé par PhysicsWorld.com, Higgs explique que sa métaphore préférée a été imaginée par le physicien David Miller, qui voit dans le mécanisme du boson de Higgs une métaphore de la politique britannique contemporaine. Dans Physics World, Matin Durrani écrit:

«Miller est célèbre pour avoir comparé le boson de Higgs à l'ancien Premier ministre britannique, Margaret Thatcher, avançant dans une salle bondée et gagnant de la masse à mesure que d'autres personnes s’agrégeaient autour d'elle.»

Variante Albert Einstein

Burton DeWilde, un ami et doctorant en physique, m'a parlé d'une autre variante:

«Imagine une pièce remplie de physiciens. Tout d'un coup, Einstein arrive et essaye de la traverser, mais des physiciens éblouis par sa personne s'agglutinent autour de lui et entravent ses mouvements, ce qui augmente sa masse. Maintenant, imagine que je rentre dans la pièce. Un étudiant de seconde zone, personne ne veut me parler, ce qui fait que j'arrive à traverser relativement facilement la foule de physiciens –pas de masse effective pour moi! Enfin, imagine que quelqu'un lance une rumeur, et que les physiciens se mettent à s'exciter et à se rassembler spontanément.»

Dans cette analogie, la pièce remplie de physiciens représente le champ de Higgs dans l'espace. Einstein, c'est une particule avec une masse importante, je suis une particule avec une masse faible (ou pas de masse du tout) et un groupe de physiciens représente une excitation du champ, soit justement le boson de Higgs. Notez bien que remplacer Thatcher par Einstein ne change rien sur le fond: si vous n'avez pas compris avec la première, vous ne comprendrez pas plus avec le second.

3. Dans l'air

Un dernier exemple –assez élégant dans sa simplicité– nous est donné par Matt Strassler, professeur à l'université Rutgers, et qui compare le champ de Higgs à l'air environnant.

«Qu'est-ce que le champ de Higgs et comment le concevoir? Pour nous, il est tout aussi invisible et indétectable que l'air pour un enfant, ou que l'eau pour un poisson; en réalité, il l'est même encore davantage, car en grandissant, nous apprenons à prendre conscience du flux d'air dans lequel baigne notre corps et à le détecter par nos sens, mais aucun de nos sens ne peut nous permettre d'accéder au champ de Higgs.»

Quelle analogie capture donc le mieux l'essence du champ de Higgs? Un physicien intransigeant vous dira que seules les mathématiques peuvent le permettre. Ce genre de thématiques a peut-être plus à voir avec le quotidien des scientifiques –toutes ces conférences et leurs cafés trop sucrés– qu'avec la nature fondamentale de la réalité.

Enfin, n'hésitez pas à vous rendre sur le site du Cern. Oh, pas pour y lire les dernières données enregistrées par l'accélérateur de particules, qui ressemblent à ça:

Non, plutôt pour consulter le mini-site dédié aux enfants, CernLand, avec des explications à la portée de tous... et des petits jeux sympa.

J. Bryan Lowder

Traduit par Peggy Sastre

(Il s'agit d'une version adaptée et augmentée de l'article paru sur Slate.com, adaptation assurée par Jean-Laurent Cassely)

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