LHC: tout (... ou presque) sur le boson de Higgs

Publié par Michel le 23/02/2010 à 00:00
Source et illustrations: (c) CERN
Tout ce que vous avez toujours voulu savoir sur le boson de Higgs sans jamais oser le demander...

Particule de Dieu, origine de la masse de toutes les autres particules, principale raison d'être du LHC, pièce manquante du modèle standard... Ces qualificatifs suffisent à alimenter nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre...) d'articles de presse de gros titres et d'articles de presse du monde (Le mot monde peut désigner :) entier. Pourtant, ils n'expliquent pas ce qu'est véritablement cette célèbre particule. Le CERN dans son Bulletin part à la découverte théorique du boson de Higgs (Le boson de Higgs est une particule élémentaire dont l'existence a été...) avant que le LHC ne le fasse en pratique (s'il existe !).


Soyons clairs: si l'on part du principe que les théories de la physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la...) les plus consensuelles sont correctes, l'Univers (L'Univers est l'ensemble de tout ce qui existe et les lois qui le régissent.) baigne dans une sorte d'"éther" (un "champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:)" dans le vocabulaire de la physique) qui n'a pas encore été découvert ; le vide (Le vide est ordinairement défini comme l'absence de matière dans une zone spatiale.) n'est pas vide et les particules acquièrent une masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un...) grâce à l'interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein...) avec ce champ. Peut-être l'avez-vous déjà deviné: le champ en question est produit par la star des particules, le boson (Les bosons représentent une classe de particules qui possèdent des propriétés...) de Higgs.

Le boson de Higgs doit son appellation à l'un des chercheurs à l'origine de la théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer,...) du même nom. On pense qu'il n'aurait ni charge électrique (La charge électrique est une propriété fondamentale de la matière qui respecte le principe de...), ni spin (Le spin est une propriété quantique intrinsèque associée à chaque...). Quant à sa masse, selon des recherches infructueuses menées au LEP et des mesures précises des interactions faibles, elle se situerait entre 114 GeV et environ 200 GeV. Cette estimation est correcte si nous restons strictement dans le cadre du modèle standard, qui regroupe les théories qui forment notre compréhension actuelle du comportement des particules. Cependant dans le cadre de théories allant au-delà du modèle standard, sa masse pourrait atteindre 1 000 GeV au maximum, cette limite étant fixée par les lois fondamentales de la nature. Les estimations de la masse du boson de Higgs ont servi à définir les paramètres techniques du LHC, notamment l'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la...) de collision (Une collision est un choc direct entre deux objets. Un tel impact transmet une partie de...) et la luminosité (La luminosité désigne la caractéristique de ce qui émet ou réfléchit...). "Les paramètres du LHC et la performance des détecteurs sont optimisés pour découvrir le boson de Higgs du modèle standard, ou toute autre chose qui pourrait attribuer une masse aux particules", explique Michelangelo Mangano, du groupe Théorie. En d'autres termes, il existe forcément une particule à découvrir et le LHC va y parvenir. Reste à savoir s'il s'agit bel (Nommé en l’honneur de l'inventeur Alexandre Graham Bell, le bel est unité de...) et bien du boson de Higgs, doté des mêmes propriétés que celles prédites par la théorie du même nom.

Pourquoi la nature semble-t-elle avoir autant besoin (Les besoins se situent au niveau de l'interaction entre l'individu et l'environnement. Il est...) de cette particule ? Dans la nature, il existe deux états d'hélicité pour les particules, qui peuvent être "gauches" ou "droites" (voir encadré). "Les particules gauches sont sensibles à l'interaction faible, dont la radioactivité (La radioactivité, phénomène qui fut découvert en 1896 par Henri Becquerel sur...) est la manifestation, contrairement aux particules droites. L'hélicité agit comme une sorte de charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement...) pour la force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un...) faible, 1 pour une particule gauche, 0 pour une droite", explique M. Mangano. Les particules possédant une masse pourront néanmoins être considérées comme gauches ou droites, selon le cadre de référence choisi par l'observateur (voir ci-dessous). Toutefois, un phénomène naturel ne peut dépendre d'un système de référence spécifique utilisé par les chercheurs dans leurs calculs, et la sensibilité des particules à la force faible ne saurait être une propriété définie de manière si peu exacte. Vous cernez le problème à présent: où peut bien disparaître la charge faible d'une particule gauche (1) lorsqu'elle apparaît comme droite (0) ? D'autre part, comment la nature décide-t-elle de donner ou non une masse à une particule (entraînant le problème de l'hélicité de la particule) ?

Selon le mécanisme de Higgs, la propriété que l'on mesure à l'échelle macroscopique comme étant la "masse" est le résultat, en termes microscopiques, d'un échange dynamique (Le mot dynamique est souvent employé désigner ou qualifier ce qui est relatif au mouvement. Il...) de quanta entre une particule dépourvue de masse et le champ présent dans l'Univers. "Une particule massive (Le mot massif peut être employé comme :) bascule (Une bascule ou un basculeur est un circuit intégré logique doté d'une sortie et d'une ou...) constamment de l'état de particule gauche à celui de particule droite, en échangeant un quantum (En physique, un quantum (mot latin signifiant « combien » et qui s'écrit...) du champ de Higgs de charge faible avec l'"éther". L'"éther" retient la charge faible de la particule gauche lorsque celle-ci devient droite. De cette manière, la charge faible est toujours conservée et aucune contradiction (Une contradiction existe lorsque deux affirmations, idées, ou actions s'excluent mutuellement.) n'apparaît", conclut M. Mangano.

Que le boson de Higgs soit une particule élémentaire (On appelle particules élémentaires les constituants fondamentaux de l'univers...), comme le veut le modèle standard, ou qu'il s'agisse d'un objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans...) plus complexe, que cette particule soit unique, ou qu'il en existe plusieurs, l'existence d'un phénomène nouveau est nécessaire pour comprendre la présence de particules massives dans un monde où l'hélicité gauche domine. Les expériences du LHC devraient résoudre cette énigme et connaître le fin mot de l'histoire. Toutefois, il faudra être patient (Dans le domaine de la médecine, le terme patient désigne couramment une personne recevant...)... Étant donné la complexité (La complexité est une notion utilisée en philosophie, épistémologie (par...) du problème et la rareté des phénomènes qui pourraient prouver expérimentalement l'existence du boson, plusieurs années de collecte de données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent...) et d'analyses seront nécessaires pour reconstituer le puzzle.

Les particules droites et gauches

En physique des particules (La physique des particules est la branche de la physique qui étudie les constituants...), le spin (S dans le dessin ci-dessous) est une propriété fondamentale (En musique, le mot fondamentale peut renvoyer à plusieurs sens.) des particules, qui est représentée par un nombre quantique (Un nombre quantique est, en mécanique quantique, un élément d'un jeu de nombres permettant de...). Les valeurs permises de S sont: 0,1/2, 1, 3/2, 2, etc. Les particules de spin demi-entier sont des fermions. Parmi les fermions, on trouve les électrons, les positrons (En physique des particules, le positron ou positon est l'anti-particule associée à l'électron....), les quarks (qui forment les protons et les neutrons) et les neutrinos. Les particules de spin entier sont des bosons. Parmi les bosons, on trouve le boson de Higgs, le gluon (Le gluon est le boson responsable de l'interaction forte. Les gluons confinent les quarks ensemble,...), le photon (En physique des particules, le photon (souvent symbolisé par la lettre γ — gamma)...), etc. La plupart des bosons élémentaires connus ont un spin égal à 1. Les exceptions sont le boson de Higgs (dont le S devrait être égal à 0) et le graviton (Le graviton est une particule élémentaire hypothétique qui transmettrait la...) (dont le S devrait être égal à 2).


Le spin d'une particule sert à définir son hélicité, c'est-à-dire s'il s'agit d'une particule droite ou gauche: une particule est droite si la direction de son spin est la même que celle de son mouvement. Une particule est gauche si la direction de son spin est opposée à celle de son mouvement.

Cependant, parce que la direction du mouvement dépend du système de référence, lorsque l'on choisit un système de référence qui se déplace plus rapidement que la particule (ce qui est toujours possible pour les particules massives qui ne peuvent pas se déplacer à la vitesse (On distingue :) de la lumière), la particule apparaîtra comme gauche dans ce cadre de référence, même si elle a auparavant été considérée comme droite dans un autre système.
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