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Reflexions, le site de vulgarisation de l'Université de Liège
© Université de Liège - http://reflexions.ulg.ac.be/ - 24 May 2017
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A la recherche des bosons de Higgs
27/01/10
Selon le Modèle standard de la physique des particules , le champ de Higgs est ce qui confère leur masse aux
particules. Il est indétectable sauf si l'on repère certaines perturbations qui le parcourent: les bosons. C'est un
des grands enjeux des expériences menées au LHC du CERN.
« Pourquoi beaucoup de personnes aiment-elles lire les romans policiers ou jouer à des jeux online dont
elles sont les héroïnes ?, s'interroge Igor Ivanov, chargé de recherches FNRS au Groupe des Interactions
fondamentales en physique et en astrophysique de l'ULg. Parce qu'il y a un problème à résoudre et que
cela fait partie de la nature de l'homme de chercher à comprendre et à trouver des solutions aux énigmes
qui se posent à lui. De même, la physique théorique, bien au-delà de ses applications possibles, s'attache à
révéler une dimension fondamentale de la matière puisqu'elle tente avant tout de résoudre les problèmes de
la nature... et ils sont beaucoup plus compliqués et intéressants que ceux que d'autres ont imaginé pour nous
en écrivant un roman policier ou en programmant un jeu vidéo. Trouver des solutions à ces problèmes qui
touchent à la structure fondamentale du monde est un plaisir plus qu'un défi. »
La physique des particules aspire à décrire le comportement des particules élémentaires à l'échelle la plus
petite possible afin de comprendre l'origine de leurs propriétés. Mais les particules évoluent dans le monde
quantique dans lequel elles se comportent comme des ondes et comme des particules. C'est pourquoi la
physique théorique associe à chaque particule un champ dont l'énergie la plus basse représente l'état du vide,
alors que la particule associée résulte d'une excitation de ce champ. Le Modèle dit standard de la physique
des particules permet de décrire avec une précision remarquable les particules et leurs interactions telles
qu'elles sont observées dans les grands accélérateurs. Ce modèle se fonde sur la symétrie de l'interaction
électrofaible qui existait dans l'univers primordial très dense et très chaud, et qui s'est brisée lorsque la
température de celui-ci n'a plus été suffisante. Ainsi, le modèle standard a besoin d'être accompagné d'un
mécanisme de brisure spontanée de la symétrie électrofaible.
Des dizaines de mécanismes ont été construits. Le mécanisme de Higgs « minimal » est un modèle
mathématiquement très simple qui prédit l'existence d'une particule nouvelle, appelée le boson de Higgs.
D'autres mécanismes sont conceptuellement semblables à celui-là, mais introduisent plusieurs bosons de
Higgs. D'autres encore sont basés sur de nouveaux concepts qui peuvent provenir de théories physiques
plus fondamentales. On le voit, les mécanismes sont nombreux... et les prédictions physiques sont différentes
suivant celui qui est adopté. Le travail d'Igor Ivanov trouve sa source dans un mécanisme de brisure spontanée
de symétrie issu de la supersymétrie et connu sous le nom de modèle à deux doublets de Higgs.

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Si tous ces mécanismes de brisure spontanée de symétrie électrofaible peuvent induire des conséquences
physiques différentes, ils partagent une prédiction commune : la brisure de symétrie s'accompagne toujours
de l'apparition d'un champ de Higgs (1) qui remplit tout l'espace, un peu comme l'air. À nouveau, les propriétés
de ce champ dépendent du mécanisme de brisure de symétrie sélectionné.
Ce champ de Higgs n'a encore jamais été détecté. Il est pourtant un élément indispensable à la théorie. C'est
pourquoi les physiciens tentent de le débusquer depuis des dizaines d'années. « Le champ de Higgs diffère
notablement des autres champs, explique Igor Ivanov. Son état de plus basse énergie ne correspond pas à
une absence de champ, mais bien à un champ spatialement homogène, à l'origine d'une sorte de force de
Higgs qui agit de manière identique en tout point de l'espace. Ainsi, si d'autres particules circulent dans ce
champ, elles se couplent à lui. C'est par cette interaction que ces particules reçoivent leur masse : sans ce
champ, les particules auraient une masse nulle. »

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Pour comprendre ce phénomène par lequel les particules acquièrent leur masse, une analogie vaut mieux qu'un
grand discours. Soient des billes de frigolite, telles que celles utilisées pour caler un objet dans une caisse lors de son
transport. Si elles sont simplement posées sur une table et qu'on souffle dessus, elles vont s'éparpiller rapidement car
elles sont ultralégères. Par contre, si elles sont posées sur un plan d'eau, il sera plus difficile de les disperser car l'eau
leur aura donné une certaine inertie, comme une masse supplémentaire. La surface d'eau est ici une analogie au champ
de Higgs et les billes de frigolite posées sur l'eau représentent les particules qui interagissent avec ce champ.

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L'homogénéité du champ de Higgs le rend inobservable directement. Par contre, s'il vient à être excité, des
perturbations localisées apparaissent, rendant sa détection possible indirectement. Ces excitations peuvent être vues
comme une nouvelle particule, appelée le boson de Higgs. Si l'on reprend l'analogie de la surface d'eau, le boson de
Higgs correspond aux vagues qui se forment à la surface de l'eau lorsqu'on souffle dessus. Certains mécanismes plus
complexes de brisure de symétrie, comme le modèle à deux doublets de Higgs, prédisent même l'existence de plusieurs
bosons de Higgs.
La découverte du ou des boson(s) de Higgs est la seule manière de détecter le champ du même nom. Si
depuis de nombreuses années, les physiciens tentent de mettre en évidence cette particule dans tous les
accélérateurs de particules du monde, elle demeure jusqu'à présent introuvable... Mais la difficulté est de
taille : tous les modèles prédisent son existence, mais pratiquement aucun ne peut donner sa masse qui
reste un paramètre libre du modèle théorique. Bref, on ne sait pas dans quelle gamme d'énergie la chercher.
Les tentatives infructueuses avec les accélérateurs de particules actuels fournissent cependant une limite
expérimentale inférieure à cette masse : elle doit être supérieure à 114 GeV/c² (Giga électrons-volts c'est-
à-dire milliards d'électrons-volts). Des considérations théoriques permettent également de fixer une borne
supérieure à approximativement 1 TeV/c² (Téra électrons-volts) : au-delà de cette limite, le modèle standard
ne fonctionne plus et doit se transformer. Dans la course au(x) boson(s) de Higgs, l'accélérateur de particules
américain Tevatron, « concurrent » du LHC reste en liste puisqu'il commence déjà à exclure de petites régions
de cet intervalle d'énergie.
Traquer le boson de Higgs
Le grand collisionneur de hadrons (LHC) au CERN
a été mis en fonctionnement le 10 septembre 2008. Il est le plus puissant accélérateur de particules au monde
construit à ce jour. Il a produit sa première collision protons-protons le 23 novembre 2009 et les premiers