1: Le boson de Higgs : une clé fondamentale de l'univers ? Le boson de Higgs est une particule prédite par le fameux « modèle standard » de la physique des particules élémentaires. Elle constitue en quelque sorte le chaînon manquant et la pierre d'achoppement de ce modèle. En effet, cette particule est supposée expliquer l'origine de la masse de toutes les particules de l'univers (y compris elle-même !) , mais en dépit de ce rôle fondamental, elle reste encore à découvrir puisqu'aucune expérience ne l'a pour l'instant observée de façon indiscutable. Il peut être utile, avant de continuer, de prendre connaissance de l'excellent dossier de David Calvet Voyage au cœur de la Matière. Peter Higgs devant les équations décrivant sa théorie de la brisure de symétrie donnant une masse à des bosons de jauge. © Peter Tuffy-The University of Edinburgh Un dernier point, le texte qui va suivre est une tentative de compromis entre deux niveaux de lecture.
2: La théorie des électrons. D'une certaine façon l'origine du boson de Higgs remonte au début du XX e siècle, lorsque des théoriciens comme Lorentz et Poincaré cherchaient à mieux comprendre la structure de la matière et surtout celle de l' électron . Leur idée, en conformité avec certains résultats sur l' émission de la lumière par les électrons, était de représenter ceux-ci par une petite sphère ou une petite boule uniformément chargée. La force d'auto-interaction de celle-ci pouvait servir à expliquer différentes choses comme la masse de l'électron, ou encore le rayonnement émis lors d'une accélération. L' inertie , la masse d'une particule chargée, était alors simplement une conséquence des lois de l' électromagnétisme de Maxwell-Lorentz.
Un tel résultat était renforcé par la découverte de la relativité par Einstein et la dérivation de la fameuse formule E=mc² . James C Maxwell , unificateur de l'électricité et du magnétisme. © Cavendish Laboratory Anton H. Précisons un peu cela. 3: La théorie des forces nucléaires. Entre temps la théorie des forces nucléaires s'était développée, ainsi que celle portant sur la structure du noyau. Quatre noms sont particulièrement importants, ceux de Heisenberg, Yukawa, Bohr et surtout Fermi. Heisenberg avait montré que la mécanique quantique permettait de considérer le proton et le neutron comme deux états d'une même particule, baptisée nucléon, avec une quantité conservée analogue à la charge électrique et au spin d'un électron. Cette quantité fut donc appelée isospin pour cette raison.
Yukawa imagina que, de même qu'un photon était émis par des particules chargées, une particule liée à cette « charge » nucléaire que représentait l'isospin devait elle aussi être émise et devait être responsable des forces nucléaires liant protons et neutrons dans le noyau. Hideki Yukawa et son équation pour les forces nucléaires en 1949. © Yukawa Institute for Theoretical Physics Différent états de spin d'une même particule, l'électron. 4: L'après-guerre : théorie de Yang-Mills et physique des particules élémentaires. Le début des années 1950 fut marqué par la découverte d'un grand nombre de particules élémentaires , suite à la mise en place de puissants accélérateurs de particules. On découvrit différents types de mésons ainsi qu'un cousin de l' électron , le muon . L'étude des noyaux se poursuivit et la connexion avec les problèmes à N corps en physique du solide se fit de plus en plus nette.
Devant autant de particules liées aux phénomènes nucléaires on se posa tout naturellement la question de savoir si elles étaient toutes élémentaires et surtout la nécessité se fit plus pressante d'avoir une théorie rendant compte précisément de celles-ci et des forces nucléaires. À nouveau le problème de la dérivation des différents types de particules et de leurs masses devint à l'ordre du jour. Deux contributions importantes apparurent alors. A : La théorie de Yang-Mills (cf. d3, d4) En 1954 deux jeunes théoriciens proposèrent une théorie audacieuse des forces nucléaires. Werner Heisenberg . © AIP. 5: Le modèle standard : la théorie électrofaible.
Les idées que Yang et Mills avaient proposées en 1954 allaient se révéler cruciales dans le développement du fameux modèle standard comportant l' électromagnétisme et les lois des forces nucléaires fortes et faibles. Le « principe de jauge » revêt toute son importance en 1961, sous l'impulsion des travaux de Salam et Ward, qui proposent alors une méthode générale pour construire une théorie de champs en interaction les uns avec les autres.
Selon ce principe, la symétrie de jauge n'est pas seulement une symétrie globale, elle doit être élevée au rang de symétrie locale. Déjà en électrodynamique classique, un potentiel de jauge est introduit, à partir duquel peuvent se déduire les champs électrique et magnétique. Le prix Nobel Chen Ning Yang et Robert Mills. © AIP Partons d'une théorie ne contenant que des particules matérielles. En réalité, cette symétrie de jauge est très contraignante. A - Le mécanisme de Higgs, Brout, Englert Une image amusante a été proposée par Salam. Où Ainsi lorsque et. 6: Les théories de grande unification : SU(5) et la supersymétrie. Naturellement les succès de ce qu'on va maintenant appeler le modèle standard vont rapidement convaincre les théoriciens d'aller plus loin, et ce dès le milieu des années 1970, après la découverte des courants neutres et du quark charmé .
La première idée est bien sûr d'avoir une théorie complètement unifiée des interactions électromagnétiques et nucléaires. On peut y arriver, en principe du moins, en étendant le groupe de symétrie des équations de champs (cf. d5). La première tentative fut celle de Howard Georgi, elle fut malheureusement trop belle pour être vraie. Il proposa le groupe SU(5) comme groupe fondamental, celui-ci donnant effectivement par brisure de symétrie les groupes SU(3)*SU(2)*U(1). En bonus la possibilité d'expliquer l'asymétrie matière/ antimatière de l'univers était contenue dans celle-ci. Malheureusement cela impliquait un taux de désintégration du proton que l'expérience n'a pas validé. Howard Georgi. © physicsworld. 7: Les perspectives futures : expériences et théories. Découvrir le boson de Higgs permettrait enfin de connaître l'origine de la masse des particules.
Mais ce rêve est-il envisageable ? - A : Recherches au LEP Du point de vue de l'expérience, on ne peut pas détecter le Higgs directement, mais on peut le faire indirectement par les particules dans lesquelles il se désintègre lors de certaines réactions dont on mesure les caractéristiques (types de particules produites, probabilités de ces réactions etc.). On peut aussi avoir des renseignements indirects sur sa masse par la mesure de certains paramètres comme la masse du quark top . On a donc cherché le Higgs au LEP à Genève par l'intermédiaire de collisions électron - positron . On voit ici des produits possibles de la collision d'électrons et de positrons, par ex en particule de Higgs (H o ) se désintégrant en quarks « beau » (b). © CERN On a d'ailleurs peut-être fait sa détection quelques temps avant la fermeture programmée du LEP en 2000. . - B : Découvertes du Higgs au LHC ?
8: Remerciements et liens pour en savoir plus. Le boson de Higgs et la masse des particules.