Le boson de Higgs : la particule de Dieu ?

La culture scientifique cela ne s’invente pas. Nous allons donc parfaire votre connaissance de l’infiniment petit, là où il n’existe que des particules élémentaires. Celles là même qui font et défont la vie des atomes qui nous constituent. Les scientifiques en cherchent éperdument une qui se nomme le Boson de Higgs et qui serait à l’origine de tout ce que nous sommes. Sans elle, nous n’existerions pas… Mais existe-t-elle vraiment ?

Petit rappel de cours de collège… Et plus

La théorie des particules est un sujet très pointu et nous n’entrerons pas dans le détail parce que cet article n’a pas ce but. Sachez simplement qu’un atome est constitué de particules : les électrons, les protons, les neutrons par exemple.

Lorsqu’on veut aller dans le détail et savoir ce qui constitue ou a fait que cet atome est là, on entre dans la théorie des particules élémentaires. Ces petites entités existent, on les connait et observe de nos jours mais on ne sait pas pourquoi elles sont comme elles sont ; c’est à dire leurs caractéristiques : position, taille et poids qui est différent des unes aux autres. Savoir cela permettrait de comprendre, peut-être en partie seulement, pourquoi l’Univers existe…

Et dans notre Univers quatre forces interagissent :

• La force de gravitation qui nous tient bien au sol sur Terre ou fait que des terres tournent autour de soleils.
• La force électromagnétique, la matière qui est chargée électriquement.
• La force nucléaire faible. On pourrait résumer cette force par la radioactivité.
• La force forte. Très importante, voire la plus importante car elle assure la cohésion du noyau atomique.

Pourquoi les particules élémentaires et pourquoi quatre forces ? Selon la théorie, que l’on nomme le « modèle standard », il existe une particule élémentaire qui est la réponse à la question : le boson de Higgs.

Le boson de Higgs

La théorie des particules existe pour décrire mathématiquement la structure fondamentale de la matière visible de l’Univers. En 1964, un physicien, Peter Higgs, étudie une avancée majeure de cette théorie et propose que pour assurer sa cohérence, il faut nécessairement l’existence d’un élément très rare, primordial même : un boson. Il donnera donc son nom à cette particule magique : le boson de Higgs.

Particule magique parce qu’elle serait l’explication même de la formation des particules de l’Univers !

Pourquoi est-il si important pour nous ce boson ?

Le boson de Higgs devient donc la clé de voute du « modèle standard », le grand unificateur. En fait, sans lui, le monde serait méconnaissable. Les particules se déplaceraient toutes librement à la vitesse de la lumière sans jamais se rencontrer les unes avec les autres dans un grand néant. Au sens théorique, nous n’existerions pas, ni notre Univers.

Le boson de Higgs serait la particule primordiale qui a permis aux autres de se rencontrer et d’avoir une position, une taille, un poids… A juste titre, les médias ont repris le nom particules de Dieu : on comprend pourquoi quand on est la source de tout. Les scientifiques dans leur majorité n’aiment pas ce nom et l’anecdote en fin d’article vous convaincra.

Bref, si l’on ne prouve pas l’existence du boson, près de 80 ans de recherches tombent en obsolescence et la science devra repartir de zéro ou avec des théories concurrentes. Triste destin qu’être scientifique dans ce cas.

Comment prouver son existence ?

Grace à ce que l’on appelle un accélérateur de particules. Il en existe de nombreux dans le monde et ont tous le même but : accélérer deux flux de protons qui tournent en sens contraire jusqu’à des vitesses proche de celle de la lumière (300 000km par seconde) et les faire se rencontrer ce qui génère une collision.

Cette collision fait exploser littéralement tout ce joli monde en particules élémentaires et permet de recréer à une échelle très réduite les conditions du Big Bang d’il y a 13,7 milliards d’années. Il ne reste plus à nos scientifiques qu’à relever les mesures. Simple, certes, mais en réalité pas du tout.

Le défi LHC

Le plus grand collisionneur au monde est le LHC qui signifie Large Hadron Collider, soit Grand Collisionneur de Hadrons. Un Hadrons est un groupe de particules élémentaires. Le LHC est l’accélérateur de tous les superlatifs : les plus hautes énergies jamais atteintes par l’Homme, la plus grande « machine » scientifique jamais réalisée, la plus grosse concentration de chercheurs, etc.

Le premier objectif du LHC est soit, d’affirmer la découverte du boson de Higgs, ce qui conforterait la théorie, soit, de donner la preuve de son inexistence, ce qui obligerait les théoriciens à revoir leur description de la nature.

Le LHC est en réalité un anneau, appelé piste de course, enterré à 100 m sous terre à la frontière franco-suisse, près de Genève. Cette piste est la plus grande du monde avec 27km de tunnel (l’anneau du Tevatron au Etats-Unis fait 6.2km). Il a été mis mis en service le 10 septembre 2008.

Il est constitué de près de 72 000 aimants supraconducteurs, qui n’opposent aucune résistance aux particules. Vous pouvez remiser votre petite boussole, près de 1000 d’entres-eux font 15m de long et pèse 35 tonnes. Il y a donc plus de 40 000 tonnes de matériaux.

Afin que tout fonctionne parfaitement, le tube où navigue les flux de particules est « ultravide » d’air et la température doit être maintenue à -271°C, ce qui en fait un des endroits les plus froid de l’Univers.

Les colosses du LHC : Atlas et CMS

L’anneau sert donc à accélérer des particules jusqu’à la vitesse de la lumière qui font alors plus de 11 000 fois le tour de l’accélérateur par seconde ! Puis se rencontre et génère la collision. Si cette collision s’effectue n’importe où, d’une part, rien n’est observable, d’autre part, c’est dangereux pour le LHC car chaque flux a alors la puissance de 60kg de TNT.

Donc, pour le mieux et pour éviter le pire, les faisceaux voyagent dans deux lignes séparées. Mais en deux points d’interactions, ils se heurtent au cœur des expériences principales, nommées Atlas et CMS, des appareillages capables de détecter tous les types de particules connues, avec la plus grande précision possible.

Des travaux de génie civil particulièrement délicats à 100m de profondeur ont été nécessaires pour creuser les cavernes de ces deux collecteurs d’informations. La caverne d’Atlas fait 35 m de large, 55 m de long et 40 m de hauteur peut contenir la nef de Notre Dame de Paris sans problème ! Celle de CMS fait 27 m de large sur 53 m de long pour 24 m de haut.

Atlas fait 6 étages de haut et possède un aimant géant. Il a été conçu comme un outil polyvalent qui cherche à identifier tout type de particules et leurs caractéristiques (énergie, vitesse, direction). Ainsi, si un phénomène nouveau survient, Atlas sera capable de le capter.

CMS est deux fois plus petit qu’Atlas pour un poids deux fois plus élevé ; il pèse 12 500 tonnes… Il est conçu pour découvrir aussi des nouvelles particules et mesure de manière très précise l’énergie des photons, des électrons.

La présence de ces colosses est une absolue nécessité. Une découverte isolée nécessite des confirmations et des confrontations. En effet, les mesures effectuées seront entachées d’incertitudes qui sont liées aux performances des détecteurs. En combinant les résultats fournis, il sera donc possible d’améliorer la précision des mesures.

Par ailleurs, pour s’assurer de la découverte d’une nouvelle particule ou d’un nouveau phénomène physique, il sera indispensable de l’observer au sein d’au moins deux expériences.

Où est le Boson de Higgs ?

Certains diront DTC… Bref, même s’il peut se passer beaucoup de choses dans le votre, le boson se trouve ailleurs. Il se déroule plusieurs millions de collisions par seconde (environ 600 millions…) et le LHC a pour but de trouver l’aiguille dans cette meule de foin.

Chronologie des derniers événements :

• Le 4 juillet 2012, la tension était palpable au centre de presse du LHC. Allait-on nous dire que le boson n’existait pas ? En fait, tout le contraire ! Les équipes indiquent en effet avoir découvert un nouveau boson. Toutefois, les physiciens ignoraient encore s’il s’agissait du fameux boson de Higgs ; les chances que ce soit le cas dépassent tout de même les 99%.
• Le 17 décembre 2012, l’équipe d’Atlas indique que les expériences montrent une découverte de deux particules au lieu d’une. Il y aurait alors deux bosons de Higgs ?
  Ce dédoublement pose problème car cela remet non seulement en cause le modèle standard qui ne prévoit qu’un seul et unique boson de Higgs mais aussi d’autres modèles concurrents qui ne prévoient pas ce qu’ont trouvé les scientifiques.
• Le 7 mars 2013, les équipes du LHC rendent publiques les derniers résultats qui viennent infirmer le constat de décembre. Fort heureusement ! Il y aurait donc bien un seul boson de Higgs.
• Le 15 mars 2013, une recompilation des expériences de toute l’année 2012 tend à prouver que la particule trouvée est bien le boson de Higgs !

Sachez enfin que l’année 2012 fut riche en découvertes mais que le magazine Science, une référence au monde en la matière, a décidé que celle qui était la plus importante était la découverte du boson de Higgs par les équipes de Atlas et CMS.

Pour l’anecdote de fin

Leon Lederman, prix Nobel de physique en 1988, a baptisé le boson de Higgs particule de Dieu dans un livre qu’il lui a consacré : « The God Particle » (1993). En réalité le titre original du livre était « The Goddamn Particle » traduisible par « La putain de particule » car sa frustration de la quête du boson de Higgs était immense. La maison d’édition trouvant cela trop offensant a modifié le titre !