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Le prix Nobel de Physique 2013
Un nouvel élan pour la physique ?
A F
professeur au département de mathématiques de l’Université de Namur
[e-mail]
1. Prologue
Le  juillet  avait lieu au Centre Européen de Recherche Nucléaire
(CERN – Genève) une conférence de presse historique. Dans une grande ef-
fervescence, le CERN annonce la découverte d’une nouvelle particule au
Grand Collisionneur de Hadrons (LHC – Large Hadron Collider), le plus
grand dispositif expérimental de tous les temps. Cette particule possède
toutes les caractéristiques d’une particule dont l’existence fut invoquée presque
cinquante années plus tôt, en , dans un mécanisme imaginé par les phy-
siciens belges Robert Brout et François Englert et indépendamment par
le britannique Peter Higgs.
François Englert et Peter Higgs
Revue des Questions Scientiques, ,  () : -
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Après quelques mois d’acquisition de données supplémentaires et de raf-
nement de l’analyse pour atteindre le niveau d’exigence très poussé des stan-
dards de la physique des hautes énergies, les publications nales voient le jour.
Les résultats laissent peu de place au doute quant à l’identité de la particule
découverte. Le prix Nobel de physique  sera décerné conjointement à
François Englert et Peter Higgs pour « la découverte théorique du mécanisme
qui a contribué à notre compréhension de l’origine de la masse des particules su-
batomiques, et qui a été récemment conrmé par la découverte de la particule
fondamentale prédite par les expériences ATLAS et CMS au grand collisionneur
de hadrons du CERN. »
Cette particule, que la communauté des physiciens appelle « le boson de
Higgs » (et quelquefois le boson de « Brout-Englert-Higgs »), était devenue lé-
gendaire à plusieurs égards. Tout d’abord, cette particule joue un rôle central
dans le modèle standard des particules élémentaires avec des propriétés
uniques qui sont essentielles au bon fonctionnement des interactions fonda-
mentales et des particules. Ensuite, elle était la dernière pièce qui manquait au
puzzle du modèle standard, toutes les autres particules du modèle ayant été
découvertes bien des années plus tôt. Enn, sa découverte ouvre la voie à de
nouvelles perspectives pour la physique fondamentale, de la physique des par-
ticules à la cosmologie.
J’essaierai de résumer dans cet article toute l’importance de cette décou-
verte et de son contexte. L’histoire du mécanisme de Brout-Englert-Higgs et
du boson de Higgs est incontestablement une des plus belles aventures de
l’espèce humaine, tant des points de vue intellectuels que scientiques et tech-
nologiques. Il est dicile de la résumer tout comme d’en cerner les profondes
implications pour l’avenir de la physique au sens large. Ainsi, le texte qui suit
se veut essentiellement une invitation pour le lecteur à la découverte et l’au-
teur s’excuse humblement auprès des lecteurs pour les raccourcis et les impré-
cisions qu’un tel exercice impose.
. Robert Brout étant malheureusement décédé en . (voir RQS --pp.-)
. Le lecteur avide d’en savoir plus consultera l’excellent ouvrage de vulgarisation de Mi-
chel Davier intitulé “LHC, le boson de Higgs” aux éditions Le Pommier.
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  …      
2. Le modèle standard des particules élémentaires
Pour bien comprendre l’importance de cette découverte du boson de
Higgs, il faut rappeler succinctement la structure de la matière vers l’inni-
ment petit. L’échelle de longueur de la vie quotidienne, le mètre, est gouver-
née par des lois de la physique très diérentes de celle des particules
élémentaires. Nos organismes sont constitués d’un nombre considérable de
cellules vivantes dont la taille est grosso modo de l’ordre du micron (un mil-
lionième de mètre soit -m). Si ces structures s’observent au microscope
optique, il n’en pas de même des structures constituantes comme l’ADN, les
protéines, etc. Ces structures sont en fait des macro-molécules, assemblage
complexe d’atomes (plusieurs milliards dans le cas de l’ADN) pouvant at-
teindre des tailles allant du milliardième (nanomètre -m) au cent millio-
nième de mètre (-m). Les briques constituantes des molécules sont les
atomes, des structures que l’on ne peut pas observer au microscope optique,
qui ont une taille de l’ordre du dixième de nanomètre (-m).
Ces atomes sont pour beaucoup de gens du grand public la structure ul-
time de la matière: ils forment les éléments chimiques que l’on apprend à
l’école. Mais cette structure atomique n’en est pas élémentaire pour autant.
Les atomes sont constitués d’un noyau atomique accompagné d’un cortège
d’électrons vaguement (au sens quantique du terme) situés au voisinage du
noyau. Les plus chanceux parmi vous se seront vus expliquer que le noyau
atomique était constitué de particules encore plus petites: les protons et les
neutrons et que la taille de ceux-ci, pour autant qu’on puisse parler de taille
dans ce monde où toute mesure perturbe violemment les objets, était de
l’ordre de millionième de milliardième de mètre (-m). Bien malheureuse-
ment, pour la plupart du grand public, la structure de la matière s’arrête à ce
niveau… qui correspond à celui connu par la physique jusque dans les années
.
En fait, le développement de la physique des particules a connu des
étapes décisives entre les années  et . On savait que les protons et les neu-
trons n’étaient pas les seules particules du genre et on leur connaissait une
bonne centaine de cousins (instables) qu’on appelle les hadrons. En vue de
simplier la physique hadronique, le physicien Murray Gell-Mann a suggéré
une structure constitutive des hadrons réalisée par des particules élémen-
taires, les quarks (prix Nobel de physique en ). Deux de ces particules, les
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quarks up et down, furent découvertes en , signant ainsi une étape déci-
sive dans notre compréhension de la structure de la matière.
Cette structure complexe de la matière est organisée, assemblée, par l’in-
termédiaire des forces – ou interactions – fondamentales de la nature. Cette
quête des forces fondamentales de l’univers est ancienne, on peut dire qu’elle
débute avec les travaux de Galilée et de Newton sur la gravitation universelle,
et le mécanisme de Brout-Englert-Higgs y occupe une place toute particu-
lière, sur laquelle nous reviendrons. Ainsi, si la renaissance et l’ère industrielle
ont vu l’identication de ces interactions fondamentales que sont la gravita-
tion et l’électromagnétisme, le vingtième siècle quant à lui a connu la mise
au jour de deux autres interactions fondamentales, cachées jusqu’alors au sein
de la physique des atomes: les interactions nucléaires fortes et faibles. Ces
interactions sont pourtant puissantes, si on les compare avec l’électromagné-
tisme, mais leur portée est limitée à l’intérieur des noyaux atomiques. La rai-
son de cette timidité des interactions nucléaires est restée mystérieuse jusqu’au
développement du mécanisme de Brout-Englert-Higgs pour l’interaction
faible et de la découverte d’un autre mécanisme propre à l’interaction forte.
Forts de ces éléments, nous pouvons à présent introduire une des théories
les plus précises et fécondes qu’il ait été donné à l’homme de construire: le
modèle standard des particules élémentaires. Ce modèle constitue le para-
digme de la structure élémentaire de la matière et a été élaboré sur base des
progrès évoqués brièvement ci-dessus dans les années . Par élémentaire,
entendez que ces particules ne sont pas considérées comme composites, le
modèle standard n’envisageant pas qu’il y ait des structures plus élémentaires
que celles-là. Ce modèle peut être imaginé avec l’analogie d’un jeu de pla-
teau: dans votre boîte vous trouverez des pièces de poids très diérents à
mouvoir sur un plateau (comme un échiquier par exemple), mais qui n’est pas
plat mais déformé, conformément à des règles de déplacement. Dans cette
analogie, on retrouve les trois principaux secteurs du modèle standard: les
particules élémentaires de masses très diérentes sont les pièces, le plateau
déformé est l’espace-temps décrit par la gravitation et les règles de déplace-
ment sur ce plateau déformé sont les interactions fondamentales. Le méca-
nisme de Brout-Englert-Higgs correspond alors au cahier de charge de la
. La gravitation a cependant des propriétés tout à fait particulières qui la distingue des
autres interactions, ce qui fait que l’auteur se demande parfois si elle véritablement fon-
damentale…
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  …      
fabrication des pièces et des règles: ce sont ces prescriptions qui confèrent aux
pièces des masses diérentes et aux règles de déplacement des restrictions
rendant le jeu de plateau du modèle standard si attrayant et ludique. Mais
quels sont donc précisément les ingrédients du modèle standard ?
Les pièces du jeu, les particules, sont de trois types: les fermions, les
bosons intermédiaires et le boson de Higgs. Les premières, les fermions, sont
des particules de spin demi-entier obéissant au principe d’exclusion de Pauli
et sont véritablement les constituants de la matière au niveau supérieur (ha-
drons et atomes). Ces fermions sont répartis en trois familles (avec des pro-
priétés similaires) comprenant chacune deux quarks et deux leptons. La
première famille constitue l’écrasante majorité de la matière que nous fré-
quentons quotidiennementavec les quarks up et down, et les leptons que sont
l’électron et son neutrino. Un proton est par exemple constitué d’un assem-
blage de deux quarks up et d’un quark down tandis que le neutron est formé
lui de deux down et un up. Les deux autres familles sont constituées respecti-
vement des couples de quarks étrange (strange) et charme et des leptons muon
et son neutrino (pour la seconde famille), des quarks top et bottom et des
leptons tau et de son neutrino (pour la troisième famille). Les bosons intermé-
diaires du modèle standard sont des particules associées aux interactions fon-
damentales. Dans notre analogie, ce sont des pièces qui matérialisent l’action
d’une règle du jeu particulière. Enn, le boson de Higgs est une pièce à part
entière qui a servi durant la fabrication du jeu, un peu comme ces pièces ex-
cédentaires que l’on trouve systématiquement dans certains jeux de construc-
tion bien connus des petits et des grands enfants…
Les particules du modèle
standard (Dés du CEA
– décembre 2013).
(voir planche couleurs p. 5)
. Dont le logo est orné d’un rouge caractéristique…
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