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Posté par Adrien le Jeudi 05/07/2012 à 00:00
Le boson de Higgs: réponses aux questions que vous vous posez
Pourquoi tant d'efforts déployés pour trouver le Higgs ? Comme fonctionne le mécanisme de Higgs ? Quelle est la différence entre un "indice probant" et une découverte ? Pourquoi les physiciens parlent-ils de "sigmas" ? Découvrez-le ici !


Le LHC au Cern

1 - Pourquoi tant d'efforts déployés pour trouver le Higgs ?

Parce qu'il pourrait apporter une réponse à une question essentielle: qu'est-ce qui fait que certaines particules ont une masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse inerte) et l'autre la contribution du corps à la force de gravitation (la masse grave)....) et d'autres non ?

Toutes les particules fondamentales qui constituent la matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide, l'état liquide,...) - l'électron (L'électron est une particule élémentaire de la famille des leptons, et possèdant une charge électrique élémentaire de signe négatif. C'est un des composants de l'atome.), les quarks, etc. - ont une masse. De plus, d'après la physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens...) quantique, les forces sont également portées par des particules. Les particules W et Z qui portent la force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un pouvoir de la volonté ou encore une vertu morale « cardinale » équivalent au courage (cf....) faible, responsable de la radioactivité (La radioactivité, phénomène qui fut découvert en 1896 par Henri Becquerel sur l'uranium et très vite confirmé par Marie Curie pour le thorium, est un phénomène physique naturel au cours...), doivent également avoir une masse, alors que le photon (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction électromagnétique. Autrement dit, lorsque deux particules chargées électriquement interagissent, cette interaction se traduit d'un...) porteur de la force électromagnétique (La force électromagnétique est, avec la force de gravitation, l'interaction faible, et l'interaction forte, l'une des quatre forces fondamentales de la physique. Lorsque l'on tient compte de la mécanique...) n'a pas de masse du tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.). C'est là la racine du "problème du Higgs": comment donner une masse aux particules fondamentales et expliquer la brisure de symétrie entre les particules W et Z, qui sont massives, et le photon (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction électromagnétique. Autrement dit, lorsque deux particules chargées...), dépourvu de masse ? Si l'on se contente de distribuer les masses au jugé, on aboutit à une théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer, examiner ». Dans le langage courant, une théorie est une idée ou une...) incohérente et à des prédictions absurdes. Il doit y avoir un moyen de corriger cette incohérence, et le mécanisme constitué par le champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) proposé par Englert, Brout et Higgs pourrait être la réponse.


Les familles de particules élémentaires

2 - Comment fonctionne le mécanisme de Higgs ?

Selon le mécanisme de Englert-Brout-Higgs, la propriété que l'on mesure à l'échelle macroscopique comme étant la "masse" est le résultat, en termes plus microscopiques, d'une constante interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein d'un système. C'est une action réciproque qui suppose l'entrée en contact de...) avec un champ présent dans l'Univers (L'Univers est l'ensemble de tout ce qui existe et les lois qui le régissent.) comme une sorte d'"éther". L'existence de ce champ de Englert-Brout-Higgs est prouvée de façon définitive par la découverte de la particule quantique correspondante - le boson de Higgs (Le boson de Higgs est une particule élémentaire dont l'existence a été proposée en 1964 par Gerry Guralnik, C.R. Hagen, et Tom...).

Initialement, le mécanisme d'Englert-Brout-Higgs fut proposé pour expliquer pourquoi l'une des forces fondamentales de la nature a une portée très courte, alors qu'une autre force similaire a une portée infinie. Les forces en question sont, d'une part, la force électromagnétique (portée infinie) - qui nous amène la lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm (violet) à 780nm (rouge). La lumière est intimement liée à...) venue des étoiles, fournit à nos foyers l'électricité (L’électricité est un phénomène physique dû aux différentes charges électriques de la matière, se manifestant par une énergie. L'électricité désigne également la branche...) et donne leur structure aux atomes (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner chimiquement avec une autre. Il est...) et aux molécules qui nous constituent - et, d'autre part, la force faible (portée très courte) - qui est responsable de la radioactivité et produit l'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) à l'origine des processus qui se passent dans les étoiles. Aujourd'hui, nous savons que la force électromagnétique est portée par des particules appelées photons, qui n'ont pas de masse, alors que la force faible est portée par les particules appelées W et Z, qui, elles, en ont une. Un peu comme des enfants qui se lancent un ballon, les particules en interaction échangent ces porteuses de force. Plus le ballon est lourd, plus la distance à laquelle il peut être lancé est courte ; de même, plus la porteuse (Une porteuse est un signal sinusoïdal de fréquence et amplitude constantes. Elle est modulée par le signal utile (audio, vidéo,...) de force est lourde, plus sa portée est courte. Les particules W et Z ont été découvertes grâce à un projet (Un projet est un engagement irréversible de résultat incertain, non reproductible a priori à l’identique, nécessitant le concours et l’intégration...) mené au CERN dans les années 1980, qui fut couronné d'un prix Nobel. Cependant, le mécanisme qui explique la masse de ces particules n'a pas encore été compris, et c'est là que le boson (Les bosons représentent une classe de particules qui possèdent des propriétés de symétrie particulières lors de l'échange de...) de Higgs entre en jeu.

Le mécanisme d'Englert-Brout-Higgs, dans sa formule fondamentale (En musique, le mot fondamentale peut renvoyer à plusieurs sens.), est le modèle théorique le plus simple susceptible d'expliquer la différence de masse entre les photons et les particules W et Z ; par extension, ce mécanisme pourrait expliquer les masses d'autres particules élémentaires. La présence du champ d'Englert-Brout-Higgs permet à ces forces de cohabiter en une seule théorie électrofaible unifiée.

Il ne faut cependant pas penser que le champ d'Englert-Brout-Higgs est responsable de toute la masse présente dans l'Univers. Votre interaction avec ce champ de Higgs contribue en fait pour moins d'1 kg à votre masse. Le reste de la masse vient essentiellement de la force forte, qui lie les quarks à l'intérieur des nucléons, avec une contribution minime de la force électromagnétique, qui agit à l'échelle atomique et à l'échelle moléculaire.

Les bosons de Higgs sont des fluctuations quantiques du champ d'Englert-Brout-Higgs qui ne sont visibles expérimentalement que lorsque de l'énergie est "injectée" dans le champ. La concentration de la quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire, vecteur, nombre d’objets ou d’une autre manière de dénommer la valeur d’une...) d'énergie adéquate dans les collisions proton-proton au LHC excite le champ d'Englert-Brout-Higgs, qui entre alors en résonance (Lorsqu'on abandonne un système stable préalablement écarté de sa position d'équilibre, il y retourne, généralement à travers des oscillations propres. Celles-ci se produisent à la fréquence...) à une énergie bien précise, celle qui correspond à la masse du boson. Le boson de Higgs se forme transitoirement avant de se désintégrer en d'autres particules, que les expériences du LHC peuvent mesurer. Certaines théories prédisent l'existence de plusieurs bosons de Higgs.

3 - Le boson de Higgs est-il la seule réponse possible à l'énigme de la masse ?

Non, d'autres théories ont recours à d'autres mécanismes pour expliquer le phénomène de la masse. Ainsi, par exemple, certaines théories concurrentes envisagent l'existence de dimensions supplémentaires de l'espace.

Par ailleurs, même si nous observons un indice probant de son existence, nous ne savons pas encore si le boson de Higgs est une particule élémentaire (Le modèle standard de la physique, universellement admis et très précisément vérifié par l'expérience, postule que l'univers est un gigantesque jeu de construction. Chaque objet est composé d'un assemblage de quelques blocs...) conforme à celle prédite par le Modèle standard, ou un objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans un espace à trois dimensions, qui a une fonction précise, et qui peut être désigné par une...) plus complexe. De même, nous ne savons pas s'il existe une ou plusieurs sortes de bosons de Higgs. D'autres études et analyses seront nécessaires pour répondre à ces questions.

4 - Pourquoi l'appelle-t-on "particule de Dieu" ?

Le terme vient du livre de Leon (LEON est un processeur 32 bit RISC open source, compatible SPARC V8 (1987) développé par l'ingénieur suédois Jiri Gaisler pour l'ESA.) Lederman sur la physique des particules (La physique des particules est la branche de la physique qui étudie les constituants élémentaires de la matière et les rayonnements, ainsi que leurs interactions. On l'appelle aussi physique des hautes...), intitulé: "Une sacrée particule: si l'Univers est la réponse, quelle est la question ?".

5 - Peter Higgs est-il le seul théoricien à avoir proposé une solution à l'énigme de la masse ?

Non. En 1964, la théorie du champ de Higgs a été proposée de manière indépendante et presque simultanée par trois groupes de physiciens:François Englert et Robert Brout, Peter Higgs, et Gerald Guralnik, C. R. Hagen, et Tom Kibble. Toutefois, parmi ces physiciens, Peter Higgs est le seul qui ait envisagé explicitement l'existence de la particule qui porte son nom et a calculé certaines de ses propriétés.

6 - Quelle est la différence entre un "indice probant" et une découverte ?

Pourquoi les physiciens parlent-ils de "sigmas" ? Le boson de Higgs ne peut pas être observé directement car sa durée de vie (La vie est le nom donné :) est trop brève pour nos expériences. En fin de vie, le boson se désintègre et se transforme en d'autres particules, qui peuvent être observées par les détecteurs. Par exemple, l'une des façons pour une particule de Higgs de se désintégrer est de produire deux photons, qui peuvent alors être détectés. Malheureusement, beaucoup d'autres processus produisent également deux photons: les scientifiques comparent donc le nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) d'événements "à deux photons" au nombre attendu avec des processus déjà connus. Ils procèdent ainsi pour tous les modes de désintégration possibles, et ce n'est que lorsqu'ils constatent un excédent d'événements statistiquement significatif qu'ils peuvent parler de découverte.

En physique des particules, on parle de degré (Le mot degré a plusieurs significations, il est notamment employé dans les domaines suivants :) de confiance de 95 %, ce qui signifie qu'un signal ( Termes généraux Un signal est un message simplifié et généralement codé. Il existe sous forme d'objets ayant des formes particulières. Les signaux lumineux sont employés depuis la nuit des temps par les hommes pour...) donné, tel celui d'une particule de Higgs produisant deux photons, n'a que 5 % de chances d'être le résultat d'une simple fluctuation statistique (La statistique est à la fois une science formelle, une méthode et une technique. Elle comprend la collecte, l'analyse, l'interprétation de données ainsi que la présentation de ces ressources afin de les rendre...). Cependant, un degré de confiance de 95 % n'est pas suffisant pour qu'on puisse annoncer une découverte. Pour cela, il faut que la probabilité (La probabilité (du latin probabilitas) est une évaluation du caractère probable d'un évènement. En mathématiques, l'étude des probabilités est un sujet...) d'une fluctuation statistique (Une statistique est, au premier abord, un nombre calculé à propos d'un échantillon. D'une façon générale, c'est le résultat de l'application d'une méthode...) soit beaucoup plus faible, inférieure à une chance sur un million (Un million (1 000 000) est l'entier naturel qui suit neuf cent quatre-vingt-dix-neuf mille neuf cent quatre-vingt-dix-neuf (999 999) et qui précède un million un...). C'est ce que les physiciens appellent un effet de cinq sigmas. Ce chiffre (Un chiffre est un symbole utilisé pour représenter les nombres.) est considéré comme étant la référence du point (Graphie) de vue (La vue est le sens qui permet d'observer et d'analyser l'environnement par la réception et l'interprétation des rayonnements lumineux.) de la signification statistique ; le chiffre de six sigmas correspond à une chance sur 500 millions que le résultat soit la conséquence de fluctuations dues au hasard (Dans le langage ordinaire, le mot hasard est utilisé pour exprimer un manque efficient, sinon de causes, au moins d'une reconnaissance de cause à effet d'un événement.).


CMS avant la fermeture du détecteur (Un détecteur est un dispositif technique (instrument, substance, matière) qui change d'état en présence de l'élément ou de la situation pour lequel il a été...)

7 - Pourquoi a-t-il fallu autant de temps pour arriver à ce résultat ?

Tout d'abord, les accélérateurs doivent être suffisamment puissants pour occasionner les collisions à haute énergie permettant la production d'une particule donnée (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction d'affaire, d'un événement, etc.). L'énergie la plus basse requise dans une collision (Une collision est un choc direct entre deux objets. Un tel impact transmet une partie de l'énergie et de l'impulsion de l'un des corps au second.) pour produire une particule donnée (Dans les technologies de l'information, une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction, d'un...) est la masse de la particule en question. Mais il ne faut pas oublier que la particule qu'on cherche peut être produite en association avec d'autres particules, ce qui suppose alors une énergie de collision plus élevée.

Dans un collisionneur proton-proton tel que le LHC, les processus de physique sont tels que la probabilité de produire un boson de Higgs augmente considérablement avec l'énergie de collision. À titre d'exemple, le taux de production de signaux de Higgs en 2011 - alors que le LHC fonctionnait à 3,5 TeV par faisceau - était inférieur d'environ 27 % au taux de production en 2012, avec une exploitation du LHC à 4 TeV par faisceau.

En général, les processus associés à l'observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et d’étude appropriés....) du boson de Higgs sont très rares, et c'est là que les statistiques entrent en jeu. L'erreur statistique (Afin d'aborder les sources d'erreurs en statistique, nous allons prendre l'exemple d'un sondage sur un référendum. D'une part parce que cela concerne tous les citoyens, et d'autre part le nombre...), c'est-à-dire l'intervalle attendu des fluctuations statistiques, diminue comme l'inverse (En mathématiques, l'inverse d'un élément x d'un ensemble muni d'une loi de composition interne · notée multiplicativement, est un...) de la racine carrée (La racine carrée d’un nombre réel positif x est le nombre positif dont le carré vaut x. On le note ou x½; dans cette expression, x est appelé le radicande.) de la taille de l'échantillon (De manière générale, un échantillon est une petite quantité d'une matière, d'information, ou d'une solution. Le mot est utilisé dans différents domaines :). Ainsi, pour diviser par deux la marge d'erreur, vous devez quadrupler l'échantillon de données. C'est pourquoi les physiciens s'efforcent toujours de recueillir un maximum de données: cela permet de réduire la taille des fluctuations statistiques possibles.

On pourrait croire que, une fois les critères d'analyse définis, il n'y a plus qu'à faire passer (Le genre Passer a été créé par le zoologiste français Mathurin Jacques Brisson (1723-1806) en 1760.) les nouvelles données accumulées au crible de ces critères pour extraire le type d'événements que nous voulons étudier. Toutefois, pour produire de nouveaux résultats, il faut procéder à un nombre impressionnant de vérifications et de contre-vérifications.

On peut décrire la technique d'analyse comme suit: on s'appuie sur un modèle théorique pour prédire les nouveaux phénomènes et les nouvelles particules susceptibles d'être observés, et, au moyen de méthodes de simulation complexes, les physiciens reproduisent ce que serait la réponse de leurs détecteurs à de tels événements. Ils le font d'abord pour tous les processus connus, afin de pouvoir prédire les différents types attendus d'événements produits au LHC. Ces événements simulés ressemblent exactement aux événements enregistrés par les détecteurs, à ceci près qu'ils ont été générés en s'appuyant sur notre connaissance de ce qui peut être produit par des collisions de protons dans le LHC.

Ensuite, les expérimentateurs déterminent une série de critères pour la mise en évidence de la nouvelle physique, qui sont en partie définis à partir de simulations. Les critères de sélection sont faits pour nous permettre de retrouver une aiguille dans un grenier (Le grenier (latin granarium) est un local hors-sol destiné au stockage du grain. Il peut être intégré à un bâtiment, ou constituer une petite construction indépendante...) rempli de meules de foin. Pour cela, les physiciens étudient en détails les caractéristiques d'événements intéressants possibles (par exemple le boson de Higgs), en comparant ces caractéristiques avec celles d'autres types de processus connus. À ce stade (Un stade (du grec ancien στ?διον stadion, du verbe ?στημι istêmi, « se tenir droit et...), le but du jeu est d'isoler le signal de tous les autres types d'événements, qui constituent ce que les physiciens appellent le bruit de fond (Dans son sens courant, le mot de bruit se rapproche de la signification principale du mot son. C'est-à-dire vibration de l'air pouvant donner lieu à la création d'une sensation...). La plupart du temps, le bruit (Dans son sens courant, le mot de bruit se rapproche de la signification principale du mot son. C'est-à-dire vibration de l'air pouvant donner lieu à la création d'une...) de fond constitue l'essentiel des événements enregistrés.

L'étape finale consiste à comparer la somme de toutes les simulations de processus connus qui franchissent la barrière des critères de sélection pour arriver à l'ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut être comprise...) de données collectées. Dans certains cas, la comparaison avec des simulations n'est pas nécessaire, et les physiciens ont simplement à extraire des signaux de Higgs potentiels du bruit de fond déduit des données réelles.

Plus on collecte de données, plus les comparaisons sont précises, ce qui rend le résultat plus significatif. En fin de compte, l'objectif est d'arriver à des résultats absolument fiables, excluant les biais, les erreurs et les omissions.


Le détecteur ATLAS en juillet 2007

8 - Quelles sont les étapes suivantes ?

Les données enregistrées en 2012 jusqu'à présent n'ont pas été complètement (Le complètement ou complètement automatique, ou encore par anglicisme complétion ou autocomplétion, est une fonctionnalité informatique...) analysées, et le LHC continue l'acquisition (En général l'acquisition est l'action qui consiste à obtenir une information ou à acquérir un bien.) de données. Il est donc nécessaire de poursuivre l'analyse, ce qui est en cours. Malgré les indices probants de l'existence du boson de Higgs, les propriétés de cette particule restent à étudier.

Une fois la particule identifiée et étudiée plus complètement, il faudra encore actualiser les modèles de physique (voir la question 9).

Entre-temps, le LHC poursuivra son programme scientifique (Un scientifique est une personne qui se consacre à l'étude d'une science ou des sciences et qui se consacre à l'étude d'un domaine avec la rigueur et les méthodes scientifiques.), dont le Higgs ne constitue qu'une partie. En explorant le monde (Le mot monde peut désigner :) des particules infiniment petites, les physiciens espèrent donner des réponses aux questions relatives à l'origine et à la destinée de notre univers. Que s'est-il passé (Le passé est d'abord un concept lié au temps : il est constitué de l'ensemble des configurations successives du monde et s'oppose au futur sur une échelle des temps centrée sur le...) immédiatement après le Big Bang (Le Big Bang est l’époque dense et chaude qu’a connu l’univers il y a environ 13,7 milliards d’années, ainsi que l’ensemble des modèles cosmologiques qui...) ? Pourquoi la matière a-t-elle pris le dessus sur l'antimatière (Il s'agit ici d'une approche plus "philosophique" sur les questions posées par l'antimatière, ou sur ses applications humaines. Pour une approche plus technique sur la nature de l'antimatière et de ses...), alors que, en laboratoire, matière et antimatière sont toujours produites en quantités égales ? Découvrir de quoi est faite la matière noire (En astrophysique, la matière noire (ou matière sombre) désigne la matière apparemment indétectable, invoquée pour rendre compte d'effets inattendus, notamment au sujet des galaxies. Différentes hypothèses ont été...) est certainement une des priorités du LHC, même si des modèles très en vogue, comme la supersymétrie (Note : Pour profiter au mieux de cet article, le lecteur devrait avoir de bonnes notions sur le spin, la physique des particules et la symétrie en physique.), ne se sont pas encore manifestés malgré tous nos efforts pour les mettre au jour (Le jour ou la journée est l'intervalle qui sépare le lever du coucher du Soleil ; c'est la période entre deux nuits, pendant laquelle les rayons du Soleil éclairent le...). Et si nous vivions, non pas dans un univers en quatre dimensions (trois dimensions d'espace et une de temps), mais dans un monde contenant des dimensions supplémentaires, qui restent cachées ? Voilà des questions bien étranges, auxquelles on apportera peut-être des réponses encore plus étranges ; de quoi donner le vertige (Deux types de sensations sont couramment nommés vertiges :).

En physique des particules, comme dans d'autres domaines de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension métonymique, la recherche...), les physiciens continuent à étudier comme fonctionne l'Univers. Avec le Higgs, l'Univers a dévoilé l'un de ses mystères, mais il y en a d'autres.

9 - Quel est l'impact d'un tel boson de Higgs sur notre description actuelle de l'Univers ?

Le boson de Higgs viendra compléter notre description de la matière visible de l'Univers, et des processus fondamentaux à l'oeuvre dans le Big Bang après un millième de milliardième de seconde ( Seconde est le féminin de l'adjectif second, qui vient immédiatement après le premier ou qui s'ajoute à quelque chose de nature identique. La seconde est une...). Le boson de Higgs pourrait avoir joué un rôle dans l'origine de la matière de l'Univers, et pourrait être lié à la matière noire. Il pourrait même donner une explication sur l'expansion par laquelle l'Univers a atteint sa dimension (Dans le sens commun, la notion de dimension renvoie à la taille ; les dimensions d'une pièce sont sa longueur, sa largeur et sa profondeur/son épaisseur, ou bien son diamètre si c'est une pièce de révolution.) actuelle. D'un autre côté, le boson de Higgs est une particule bien différente (En mathématiques, la différente est définie en théorie algébrique des nombres pour mesurer l'éventuel défaut de dualité d'une application définie à l'aide de la trace, dans...) des autres particules connues, et il pose autant de questions qu'il apporte de réponses. Par exemple, qu'est-ce qui détermine la masse du boson de Higgs, et la densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la masse volumique d'un corps pris comme référence. Le corps de référence est l'eau...) de l'énergie noire ? D'après la théorie classique, ces deux valeurs devraient être beaucoup plus grandes que les valeurs observées. La quête continue.

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Source: CERN Bulletin - Copyright CERN
Illustrations: © CERN