Pour comprendre le boson de Higgs, il faut d’abord parler du champ de Higgs. Ce champ confère à certaines particules fondamentales leur masse, tout en séparant deux des quatre forces fondamentales de la nature l’une de l’autre.
L’existence du champ a été théorisée pour la première fois au début des années 1960, lorsque les physiciens ont envisagé les conséquences d’un champ hypothétique qui expliquerait comment l’électromagnétisme et la force faible sont séparés, et pourquoi certaines particules porteuses de force (ou de jauge) ont une masse (comme les bosons W et Z)
Le physicien britannique Peter Higgs était l’un des nombreux chercheurs travaillant sur ce modèle. Son nom est depuis devenu synonyme du champ, de sa particule et de son mécanisme d’action.
Qu’est-ce que le boson de Higgs ?
Comme tous les champs quantiques, le champ de Higgs donne naissance à son propre type de particule fondamentale, le boson de Higgs. Il s’agit d’un boson (particule porteuse de force, à spin nul) relativement lourd, non chargé et très instable, qui n’existe qu’un instant avant de se décomposer en plusieurs autres particules.
Modèle standard et fournir des preuves solides pour le mécanisme de Higgs. En 2012, une telle particule a été détectée par deux des détecteurs du Grand collisionneur de hadrons, ce qui a officiellement conduit à l’inclusion du boson de Higgs dans le modèle standard
Qu’est-ce qui confère aux particules leur masse ?
Au quotidien, la masse est perçue comme une résistance au mouvement. Les objets ayant une masse importante sont difficiles à mettre en mouvement ; une fois qu’ils sont en mouvement, il est difficile de les arrêter.
La formulation de la relativité restreinte d’Albert Einstein nous donne une autre façon de voir la masse : elle est l’expression de l’énergie d’un objet.
Lorsqu’il est immobile, un objet a une masse égale à son énergie divisée par le carré de la vitesse de la lumière – une variante de la formule familière E=mc2. Si vous faites bouger un objet, en particulier à une vitesse proche de celle de la lumière, il gagne de l’énergie qui agit comme une masse.
Les atomes tirent la majeure partie de leur masse du bourdonnement énergétique de particules appelées quarks qui se déplacent à l’intérieur de leurs noyaux, liés entre eux par la force forte.
Pourtant, même seuls, les quarks ont une masse. Tout comme les électrons qui les entourent. Comme il n’y a rien qui “bourdonne” à l’intérieur d’eux, une certaine forme d’activité est nécessaire pour expliquer l’énergie qui équivaudrait à leur masse au repos.
De plus, au milieu du 20e siècle, les physiciens ont découvert que les modèles précédents décrivant les bosons de jauge ne correspondaient pas aux observations ; les particules à courte portée comme les bosons W et Z de la force faible étaient 80 fois plus massives qu’un proton entier, alors que le photon du champ électromagnétique, de grande portée, n’avait aucune masse.
Les physiciens cherchaient désespérément une raison à ces différences de poids, et pourquoi les deux champs étaient si distincts.
Comment le champ de Higgs donne-t-il aux particules fondamentales leur masse ?
Aux températures follement élevées qui ont suivi le Big Bang, les champs de l’électromagnétisme et de la force nucléaire faible auraient été virtuellement identiques l’un à l’autre.
Au fur et à mesure de l’expansion et du refroidissement de l’Univers, les deux champs se seraient distingués – l’un fonctionnant avec des bosons lourds qui agissent sur la courte distance d’un noyau, l’autre avec des bosons suffisamment légers pour traverser de vastes étendues d’espace.
Des explications similaires de cette séparation – et de la différence de masse – ont été fournies par plusieurs groupes de physiciens dans le monde. L’histoire reconnaît la proposition faite par Higgs et ses collègues François Englert et Robert Brout en 1964, basée sur un nouveau type de champ quantique actif partout, même dans l’espace vide.
La présence d’un champ ayant une valeur non nulle dans tous les coins de l’Univers bouleverserait un équilibre fondamental de la mécanique quantique qui, en théorie, devrait générer un type de particule déjà exclu par les expériences.
Mais Higgs, Englert et Brout ont montré que si ce champ hypothétique était lié au champ responsable de la force faible, la particule gênante que personne n’avait vue serait engloutie, laissant derrière elle quelques bosons W et Z lourds et un boson de Higgs relativement lourd, sans spin et non chargé (qui se désagrégerait rapidement).
Imaginez le champ de Higgs comme un magasin de bonbons, avec des bosons qui ne veulent pas être bousculés alors qu’ils se régalent de chocolat, mais qui laissent dans leur sillage un tas d’emballages de Higgs de courte durée.
Il est rapidement apparu que ce même processus fonctionnerait pour n’importe quel champ quantique ; le champ de Higgs explique les masses d’une série d’autres particules fondamentales, comme les quarks et les électrons, qui résistent toutes à la tentation d’être bousculées lorsqu’elles prennent un moment pour se faire plaisir.
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