Le boson en 9 questions

Représentation d'une expérience pour rechercher le boson de Higgs, diffusé par le CERN à Genève, le 4 juillet 2012. Représentationd'une expérience pour rechercher le boson de Higgs diffusé par le CERN le 4 juillet 2012.  Photo :  CERN
Yanick Villedieu Un texte de Yanick Villedieu

Qu'est-ce qu'un boson? 

C'est une des nombreuses particules, dites « particules élémentaires », qui composent la matière dont le monde, inerte comme vivant, est constitué. Par exemple, dans les atomes, ce sont des particules appelées quarks qui forment les neutrons et les protons des noyaux ; d'autres particules, les électrons, tournent autour des noyaux. Certaines particules portent des noms étranges, comme baryons, hadrons, leptons, mésons, muons, etc.

Deux grandes familles de particules concourent à faire de la matière ce qu'elle est. Les fermions, qui sont les constituants de la matière, les briques en quelque sorte (les quarks, les neutrons et les protons sont des fermions). Et les bosons, qui sont les vecteurs des interactions entre ces constituants, le ciment qui unit les briques.

Les bosons observés et caractérisés jusqu'à récemment sont les photons (vecteurs de la force électromagnétique), les bosons W et Z (vecteurs de la force nucléaire faible) et les gluons (vecteurs de la force nucléaire forte).

Qu'est-ce que le boson de Higgs?

Le Britannique Peter Higgs et le Belge François Englert Le Belge François Englert et le Britannique Peter Higgs discutent lors de l'annonce des résultats.  Photo :  AFP/FABRICE COFFRINI

C'est le dernier de sa famille à avoir été découvert, l'été dernier. Son existence avait été postulée en 1964 - il y a près de 50 ans - par des théoriciens, dont les Belges Robert Brout et François Englert, ainsi que le Britannique Peter Higgs.

On avait besoin d'imaginer cette particule pour résoudre un casse-tête : pourquoi les particules ont-elles une masse ? En effet, selon le modèle explicatif de la matière, les particules n'auraient pas de masse, ce qui est à l'évidence faux. Les théoriciens ont donc avancé l'idée que l'espace serait rempli par un champ un peu semblable à un champ électrique, le champ de Higgs. Et que c'est en interagissant avec ce champ que les particules acquièrent leur masse.

Ce mécanisme supposait l'existence d'une nouvelle particule, qu'on a appelée boson de Higgs, ou boson de Brout-Englert-Higgs.

Pourquoi la découverte du boson de Higgs est-elle si importante?

Parce qu'elle confirme la validité du « modèle standard » de la physique, la théorie qui explique de quoi et comment est constituée la matière. Le boson de Higgs était la dernière pièce manquante de ce modèle. Qu'elle n'existe pas aurait obligé à inventer un tout nouveau modèle explicatif de la matière. On comprend que la découverte ait été accueillie avec une joie certaine et un certain soulagement par les physiciens.

Pourquoi a-t-il été si difficile de trouver le boson de Higgs ?

Parce qu'il fallait une machine très puissante et très précise pour obtenir une désintégration de la matière à un très haut niveau d'énergie.

Cette machine est un collisionneur de particules appelé LHC (Large Hadron Collider), le plus grand au monde. Elle est située à Genève, au CERN, l'Organisation européenne pour la recherche nucléaire. Plus de 6000 chercheurs et ingénieurs, provenant de 113 pays, ont travaillé pendant près de 20 ans à la concevoir, à la construire et à l'utiliser.

Comment fonctionne le LHC ?

Des particules sont injectées sous vide dans un tube circulaire de 27 kilomètres de circonférence, dans un sens et dans l'autre. Elles sont accélérées à une vitesse proche de celle de la lumière. Quand elles se rencontrent de front, elles se fracassent les unes contre les autres et se désintègrent.

Les chercheurs observent leurs modes de désintégration grâce à d'énormes détecteurs, des « microscopes » qui peuvent peser plusieurs milliers de tonnes. Ces observations leur permettent de « voir » des morceaux de matière d'autant plus énergétiques que le choc a été plus violent. D'où l'importance d'une machine très puissante.

Est-on sûr d'avoir découvert le boson de Higgs ?

Oui, à... 99,9999 % ! Deux équipes différentes ont travaillé de façon indépendante sur deux détecteurs différents, CMS et Atlas, pour traquer le boson de Higgs. Elles sont arrivées à des résultats pratiquement identiques.

La particule découverte par ces deux équipes est « compatible » avec ce que prévoyait la théorie. Elle a une masse d'environ 125 gigaélectronvolts (GcV), soit plus de 130 fois celle d'un proton. Très instable, elle n'a une durée de vie que de quelques fractions de seconde. Ce n'est d'ailleurs pas elle qu'on observe dans les détecteurs, mais les particules produites par sa désintégration.

Qui a découvert le boson de Higgs ?

Beaucoup, beaucoup, beaucoup de monde. Par exemple, l'article qui a présenté les résultats de l'expérience Atlas, dans les prestigieuses Physical Review Letters, était signé par... 2932 auteurs, de Georges Aad à Lukasz Zwalinski.

Une bonne centaine de chercheurs canadiens ont participé à cette aventure scientifique. L'un d'eux, Pierre Savard, de l'Université de Toronto et du Laboratoire de physique des particules TRIUMF, à Vancouver, a participé à Atlas depuis sa conception, dans les années 1990, jusqu'à la rédaction de l'article scientifique qui a décrit la découverte, l'an passé.

Combien a coûté cette découverte ?

La construction du LHC a coûté, à elle seule, 5,5 milliards de dollars. Il faut dire que cette machine est sans doute la plus complexe à avoir jamais été construite. Par exemple, les deux détecteurs sont de vrais bijoux de haute technologie : ces mastodontes font le tri, en temps réel, entre plusieurs centaines de millions de collisions qui se produisent chaque seconde, pour sélectionner parmi elles seulement quelques centaines d'événements intéressants pour les chercheurs.

Et après le boson de Higgs ?

On a découvert toutes les particules du « modèle standard », soit. Mais il reste encore beaucoup à faire pour bien comprendre et pour caractériser finement le boson de Higgs lui-même. Et, probablement, toute une « nouvelle physique » à explorer à mesure que le LHC montera en puissance. L'appareil sera arrêté en mars pour de longs travaux d'entretien, mais il pourra fonctionner à des niveaux d'énergie deux fois plus élevés que ceux qu'il a atteints.

Restent aussi de grandes questions sans réponses. Comment intégrer la force de la gravité dans le modèle standard? De quelles particules est faite la matière noire? Et l'énergie noire, qui pourrait représenter près des trois quarts de la masse de l'Univers? De quoi auraient l'air les cinq autres types de boson de Higgs prédits dans un modèle dit « de supersymétrie »?

Bref, les physiciens ont encore énormément de particules sur la planche. Et ce n'est pas demain qu'ils seront au chômage. Le LHC devrait être en service jusqu'en 2030. Dès 2020, on commencera à lui imaginer un successeur - peut-être un collisionneur circulaire dont le tunnel ferait... 80 kilomètres de circonférence !