Le 4 juillet 2012, les scientifiques du Grand collisionneur de hadrons (LHC), à Genève, annonçaient la découverte d’une pièce cruciale de la physique : le boson de Higgs. Qu’a-t-on appris sur la « bête » en 10 ans?
L’annonce de 2012 est gravée à jamais dans la mémoire des 6 000 chercheurs du laboratoire européen de physique des particules, le CERN. « Nous avons découvert un nouveau boson, probablement le boson de Higgs. Il faut encore comprendre de quel Higgs il s’agit », avait alors lancé Rolf Heuer, le directeur général du CERN de l’époque, lors d’une conférence suivie par les médias du monde entier.
Avant de revenir sur cette étrange question d’identité, rappelons que les physiciens cherchaient à repérer expérimentalement ce boson depuis 48 ans! L’émotion était donc palpable. Très fugace, cette particule élémentaire est la clé de voûte du modèle standard de la physique des particules, cette théorie qui décrit le monde de l’infiniment petit. Elle y occupe une « case » à part, car c’est elle qui donne leur masse aux autres particules, en quelque sorte.
Le 4 juillet 2022, le CERN soulignera cet anniversaire en grande pompe avec une série de conférences, portant entre autres sur l’histoire du Grand collisionneur de hadrons (LHC), l’accélérateur circulaire qui a permis la découverte grâce aux expériences ATLAS et CMS.
Cette célébration est aussi l’occasion de dresser le bilan des connaissances acquises et de lister les questions en suspens. Il faut dire qu’en dix ans, des centaines d’articles scientifiques ont été publiés sur cette particule unique, qui n’a pas fini de faire parler d’elle. « On en a moins parlé, mais on aussi fait d’autres découvertes majeures depuis 2012 », s’enthousiasme Yves Sirois, physicien des particules au Laboratoire Leprince-Ringuet à l’École polytechnique en France et membre de l’expérience CMS (voir encadré en fin d’article).
Une longue quête
La version initiale du modèle standard de la physique des particules, élaborée dans les années 1960, était incomplète, puisqu’elle prévoyait que les particules étaient dépourvues de masse. Les physiciens se sont vite aperçus que ce n’était pas le cas. Pour corriger ce défaut, plusieurs chercheurs, dont l’Écossais Peter Higgs et les Belges François Englert et Robert Brout, ont introduit dans les équations en 1964 un curieux mécanisme, le champ de Higgs, qui permettait à ces particules sans masse d’en acquérir une. Une sorte de champ de force, un peu comme le champ gravitationnel, qui serait présent partout autour de nous. « Le champ de Higgs peut être comparé à de la mélasse étalée dans l’Univers. Les particules de matière sont ralenties par cette mélasse, ce qui donne l’impression qu’elles ont une masse », résumait en 2012 Yves Sirois. Ainsi, les particules les plus lourdes, comme le quark top, s’engluent dans cette mélasse, alors que les électrons, très légers, glissent dessus plus facilement.
Restait à « photographier » pour de vrai le responsable de ce champ, une particule nommée – un peu injustement pour Englert et Brout – boson de Higgs. Ce ne fut pas chose aisée : instable, ce boson ne se « promène » pas librement dans les laboratoires de physique. Il faut donc le créer de toutes pièces, le fabriquer en lançant à toute vitesse des faisceaux de protons les uns contre les autres (c’est le principe des accélérateurs de particules comme le LHC).
Ces collisions de protons libèrent énormément d’énergie et donnent naissance non pas à des débris de protons, mais carrément à d’autres particules, comme des bosons de Higgs. Ces particules instables se transforment instantanément en particules plus légères que les scientifiques repèrent dans les détecteurs. Ce phénomène est appelé désintégration. (Notons que cette instabilité n’empêche pas le champ de Higgs d’imprégner tout l’Univers, grâce à des histoires de physique quantique et de niveau d’énergie…).
Modélisation des traces laissées par la désintégration d’un boson de Higgs dans un des détecteurs du CERN.
Les chercheurs mènent ensuite l’enquête pour remonter le fil des évènements et déduire quel type de particule mère a bien pu se désintégrer en tel ou tel « cocktail » de particules filles. La découverte du Higgs a été permise grâce à quelque 400 000 milliards de collisions enregistrées par deux détecteurs, ATLAS et CMS. Et l’on savait (selon la théorie) en quoi le Higgs était supposé se désintégrer.
« On a découvert le boson de Higgs à une masse de 125 gigaélectronvolts (GeV, l’unité de masse utilisée en physique des particules). Cette masse est extraordinairement intéressante », indique Yves Sirois. Sans entrer dans les détails, les théoriciens s’attendaient soit à un boson plus léger, soit carrément à une particule plus lourde. À 125 GeV, de nombreuses théories deviennent impossibles et ont dû être abandonnées. « On est dans le trou, entre les deux! La nature a été extrêmement généreuse avec nous et extrêmement malicieuse », s’amuse le physicien québécois.
Et maintenant?
Après l’annonce, l’identification de certaines propriétés quantiques de ce nouveau boson – le spin et la parité – ont conforté les physiciens sur le fait qu’ils avaient bel et bien découvert LE Higgs décrit par la théorie. À partir de mars 2013, on a donc osé appeler la nouvelle particule « boson de Higgs », pour de bon cette fois.
Depuis, le LHC a multiplié les collisions et accumulé les détections de bosons de Higgs. À l’été 2020, on estimait qu’environ 8 millions de Higgs avaient été produits dans le LHC. La mise à jour de la machine, qui vient d’être rallumée pour une nouvelle phase de prise de données, devrait permettre d’accumuler entre 2022 et 2026 deux fois plus de données que depuis 2012. À partir de 2029, le LHC entrera dans une phase dite « haute luminosité », et collectera jusqu’à dix fois plus de données. « Grâce à l’apprentissage machine et aux réseaux de neurones, on a beaucoup progressé sur l’analyse des données et la détection de signaux plus subtils, note Yves Sirois. On a vu des choses qu’on ne pensait pas voir à ce stade. »
De quoi répondre, peut-être, et d’ici quelques années, à plusieurs questions fondamentales qui taraudent la communauté : pourquoi le boson de Higgs a-t-il cette masse « malicieuse »? Peut-il expliquer l’inflation de l’Univers ? Existe-t-il d’autres bosons de ce type ? Et peut-il «éclater» en produisant des particules dites exotiques, inconnues? Ce n’est qu’en accumulant des quantités inimaginables de données que les chances de repérer des indices rares, menant vers l’une de ces pistes, deviendront tangibles.
Une chose est sûre : les physiciens misent encore beaucoup sur cette particule pour expliquer les mystères les plus troublants de l’Univers. « Il y a une effervescence autour de ces questions sur la physique des origines. On se demande si le champ de Higgs fait beaucoup plus que ce qu’on attendait. En fait, le boson de Higgs est un portail vers l’origine de la matière et des interactions, peut-être vers la matière noire aussi », analyse Yves Sirois. « On ne peut pas garantir les nouvelles découvertes. Mais toutes ces possibilités s’ouvrent et c’est passionnant. » Rendez-vous pour faire le point dans 10 ans?
Grandes avancées et grandes questions
Loin de nous l’ambition d’expliquer en détails toutes les grandes découvertes faites au LHC. Mais pour les lecteurs les plus geeks, voici quelques accomplissements et quelques questions clés (en version simplifiée!) listés par Yves Sirois :
1/ Comprendre la masse des particules de matière. Les expériences au LHC ont permis de prouver que les particules de matière, appelées fermions, acquièrent bien leur masse grâce au champ de Higgs (grâce au couplage dit de Yukawa). « S’il y a possibilité d’une existence des atomes, de la matière, de vous et moi, c’est parce qu’il y a ce champ de Higgs qui imprègne tout l’Univers. Les particules acquièrent une masse en interagissant constamment avec le champ de Higgs. Il fallait observer ce mécanisme en direct et on l’a fait. C’est majeur! », souligne le physicien.
2/ Y voir clair dans le jeu du boson W. La masse du Higgs et celle d’une autre particule « poids lourd », le quark top, permettent de calculer la masse que l’on attend pour le boson W, une particule fondamentale vectrice de la force faible. En 2021, le Fermilab, le laboratoire de physique des particules américains, a annoncé avoir mesuré avec une grande précision la masse du boson W. Problème : elle ne colle pas avec la masse calculée grâce au top et au Higgs. Les équipes du LHC vont donc s’atteler à mesurer aussi, de leur côté, cette étrange masse. « On a une tension, mais on n’a pas encore atteint le degré de précision du Fermilab. Si la déviation est confirmée, ce sera automatiquement une découverte majeure, la preuve d’une nouvelle physique », résume le chercheur.
3/ Vie et mort du boson de Higgs. Fin 2021, la collaboration CMS a annoncé avoir réussi à mesurer la durée de vie du boson de Higgs. Un exploit! Une fois créée, lors d’une collision de particules, le boson de Higgs vit moins de 1,6×10-22 seconde. « Ce résultat reposait jusqu’à présent sur la théorie, puisque les expériences avaient uniquement permis de définir des limites à la valeur de la durée de vie de la particule, et ce avec une grande marge d’erreur. Mais ce n’est plus le cas aujourd’hui. Dans une nouvelle étude, la collaboration CMS établit cette valeur avec une marge d’erreur suffisamment réduite pour confirmer que le boson de Higgs a effectivement une durée de vie très courte », a annoncé le CERN.
4/ Percer le secret des muons. Les physiciens du LHC s’intéressent particulièrement à l’un des modes de désintégration du Higgs, en paire de muons. Le muon est un cousin lourd de l’électron, et plusieurs observations ont révélé qu’il avait des propriétés inattendues, plutôt louches… « Les gens voient des choses un peu bizarres sur le muon, résume Yves Sirois. On va donc aller sonder ça avec le champ de Higgs. » En 2020, les expériences ATLAS et CMS ont justement annoncé de nouveaux résultats montrant la désintégration du boson de Higgs en deux muons. C’est un phénomène rare, étant donné qu’un seul boson de Higgs sur 5 000 environ se désintègre en ces particules filles. Espérons que ces observations ouvriront une porte vers la nouvelle physique.
