Des responsables du CERN ont annoncé le 13 décembre 2011 des indices de l’existence du boson de Higgs dans deux expériences du LHC (Large Hadron Collider). Le détecteur ATLAS aurait mis en évidence l’existence possible du boson à une masse d’environ 130 fois celle d’un proton (126 GeV pour être précis) avec un niveau statistique de 2,3 sigma. Le détecteur CMS présente aussi une possible présence dans une gamme de masse similaire (plutôt autour de 124 GeV pour l’instant), mais à un niveau statistique plus faible de 1,9 sigma.
Le niveau de sigma est une façon de mesurer la probabilité qu’une observation soit purement due à la chance plutôt qu’à un phénomène sous-jacent réel. Plus le niveau de sigma est élevé, plus le résultat a des chances d’être l’indication d’un effet réel. Le niveau 2,3 sigma représente environ la chance d’une pièce de tomber six fois de suite sur le côté pile. Le niveau 5 sigma représenterait la chance de tomber vingt fois de suite sur le côté pile et c’est la limite admise généralement pour parler d’une découverte. Ces résultats, bien que très prometteurs, sont donc encore loin de pouvoir être classés comme une découverte.
Une vue de l’intérieur du détecteur ATLAS avec son calorimètre et ses huit aimants. Crédit : ATLAS Experiment/CERN
Le champ de Higgs
Le Modèle Standard, la description moderne des particules et forces qui peuplent l’Univers (à part la gravité), est un des triomphes de la physique moderne. Ses prédictions ont été validées par des accélérateurs de particules depuis des dizaines d’années. Mais un élément crucial reste encore à confirmer : l’origine de la masse des particules.
Le champ de Higgs est une explication de l’origine de la masse proposée par plusieurs physiciens en 1964, en particulier le britannique Peter Higgs qui lui a donné son nom. C’est l’explication la plus simple, mais pas la seule, et elle n’a pas été confirmée de matière expérimentale jusqu’à aujourd’hui, d’où le grand intérêt de l’annonce du CERN.
Pour donner une image simplifiée de cette explication, imaginez une congrégation de physiciens au début du siècle dernier. Une célébrité comme Albert Einstein entre dans la salle comble. Dès qu’il entre dans la salle, les physiciens les plus proches de lui vont se rapprocher. Einstein se déplace alors dans la salle. A chaque pas, les gens les plus proches vont se regrouper temporairement autour de lui et ceux qu’il laisse dans son sillage vont revenir à leur position normale. De cette façon, Einstein est toujours entouré d’une concentration de personnes, ce qui donne une certaine inertie à son mouvement. Il lui est plus difficile de ralentir son pas et, s’il s’arrête, il lui est plus difficile de se remettre en mouvement.
D’une façon similaire, le champ de Higgs emplit tout l’espace et interagit avec les particules élémentaires. Cette interaction se traduit par une résistance des particules aux changements de vitesse, ce qui est exactement la nature fondamentale de la masse.
Sans une interaction de ce type, les particules élémentaires auraient une masse nulle comme le photon et pourrait parcourir l’Univers à la vitesse de la lumière. Cet Univers serait très différent du nôtre, sans galaxies, étoiles, planètes ou vie. Confirmer l’existence du champ de Higgs est donc une étape nécessaire pour mieux comprendre l’Univers qui nous entoure et son développement après le Big Bang.
Le boson de Higgs
En mécanique quantique, tout champ est associé à une ou plusieurs particules. Par exemple, le champ électromagnétique est associé au photon. De la même façon, le boson de Higgs est la particule associée au champ de Higgs. On utilise le terme boson car cette particule obéit à la statistique de Bose-Einstein introduite en 1920 par le physicien indien Satyendranath Bose.
Le boson de Higgs est très instable et ne peut pas être détecté directement. C’est la raison pour laquelle des accélérateurs de particules sont nécessaires pour le découvrir.
Le LHC est un accélérateur de particules inauguré en 2008 près de Genève. Il s’agit d’un tunnel circulaire de 27 kilomètres de circonférence où deux faisceaux de protons sont accélérés par des champs magnétiques jusqu’à une vitesse proche de celle de la lumière. Les deux faisceaux se propagent dans des directions opposées et finissent par se rencontrer pour provoquer des collisions entre protons. Ces collisions donnent naissance à de nouvelles particules qui sont capturées par plusieurs détecteurs, en particulier ATLAS et CMS.
Les collisions de protons au sein du LHC vont ainsi parfois créer des bosons de Higgs qui existeront pendant une durée très brève avant de se désintégrer pour former des particules stables plus classiques et de masse plus faible. Les détecteurs du LHC ne peuvent pas observer le boson de Higgs directement, mais ils peuvent analyser le résultat final des collisions. L’intervention temporaire d’un boson de Higgs peut être détectée de façon indirecte en analysant le résultat final et en s’appuyant sur des hypothèses sur les étapes intermédiaires.
Les observations sont donc d’ordre statistique et les résultats actuels du LHC ne sont pas encore suffisamment précis pour annoncer officiellement une découverte. L’attente ne devrait cependant pas être très longue. D’après les physiciens du CERN, ces résultats préliminaires devraient être confirmés ou infirmés une fois pour toute dans quelques mois.