Le mariage entre l’unification de l’espace et du temps, selon la théorie de la relativité restreinte d’Einstein, et la mécanique quantique, constitue la théorie des champs quantiques relativistes qui sert de support à de nombreuses théories telles que le modèle standard décrivant les mécanismes d’interaction entre les fermions, qui constituent la matière, et les bosons, qui sont le support des interactions entre les fermions. Par exemple, le photon est le boson de masse nulle et de spin non-nul responsable de l’interaction électromagnétique ; les bosons Z et W ont une masse importante, un spin non-nul et sont responsables de l’interaction faible qui engendre notamment la radioactivité bêta.

Un champ quantique est un espace dont les caractéristiques de chaque coordonnée portent une valeur (vectorielle, scalaire, etc.) et génère des particules physiques lorsqu’il est excité. Imaginez qu’un champ quantique est un lac : lorsque vous lancez une pierre dedans, vous créez des ondes à la surface de ce lac ; ces ondes sont les particules.

Un modèle, en physique, est une description des mécanismes naturels mais n’est valable que dans certaines limites : tout modèle est donc partiel. Le modèle standard explique la plupart des phénomènes observables, ce qui en fait un modèle solide, cependant selon lui les particules élémentaires n’ont pas de masse. Or, les observations prouvent le contraire.

En 1964, Brout et Englert d’une part, et Higgs d’autre part, ont proposé le mécanisme de Brout-Englert-Higgs pour combler cette lacune du modèle standard. En effet, le champ de Higgs donne leur masse notamment aux bosons W et Z ; imaginez que ces deux particules soient des bateaux sur ce lac : leur frottement avec sa surface leur donne une inertie plus ou moins forte qui correspond à leur masse. Cependant, le boson de Higgs, de spin nul et de masse non-nulle, n’est pas censé être responsable de la masse de la matière au sens commun. C’est en effet un autre boson, le gluon, qui est responsable de l’interaction forte et qui donne leur masse aux nucléons notamment. Le boson de Higgs est responsable de la masse des particules élémentaires.

Pour tester ce mécanisme et prouver l’existence du boson de Higgs, une coopération internationale s’est mise en œuvre pour construire un accélérateur de particules de 27 kilomètres, le LHC (Large Hadron Collider). L’objectif cet accélérateur est de provoquer une excitation très puissante du champ de Higgs afin de générer ces « vagues » qu’on appelle boson de Higgs. Or, celui-ci n’est pas observable directement, et les détecteurs ATLAS et CMS du LHC ont en partie pour objectif de mesurer les particules produites par sa désintégration. Plusieurs modes de désintégration sont possibles et plus ou moins probables selon la masse du boson. Le 4 juillet 2012, le CERN annonce qu’un nouveau boson a été découvert avec une certitude statistique de 5 sigma (mesure arbitraire impliquant une très forte probabilité chez les physiciens, environ une chance sur 3,5 millions que ce soit faux) : ce boson, d’une masse de 125 à 126 GeV.c-2, a un mode de désintégration compatible avec les prévisions pour le boson de Higgs.

Cette victoire majeure de la physique des particules ne s’est pourtant pas soldée par un prix Nobel cette année, car des études plus approfondies sur la quantité impressionnante de données collectées au LHC pendant ses deux années de fonctionnement (100 000 000 Giga Octets) sont nécessaires afin d’affirmer avec une certitude absolue ces résultats. De plus, l’aventure de la physique fondamentale est loin de s’arrêter là ; en effet, ce champ de Higgs pourrait expliquer notamment la nature de la matière noire, et d’autres types d’accélérateurs seront peut-être nécessaires pour affiner les observations. D’après Michel Spiro, président du Conseil du CERN, la communauté scientifique décidera en 2020 si la construction d’un accélérateur de particules de 80 kilomètres sera nécessaire ou non à la poursuite du voyage dans l’infiniment petit.

Sources

ATLAS Collaboration (2012) Observation of a new particle in the search for the Standard Model Higgs boson with the ATLAS detector at the LHC. Physics Letters B 716 (1) : 1-29.

Site officiel du LHC