Qu’est-ce que le boson de Higgs? Comme pour presque tous mes collègues, c’est la question que nos parents et ami-es nous posent le plus souvent. Alors voici je l’espère une explication qui satisfera non seulement la famille mais aussi les physicien-ne-s un peu perdus. Ce n’est pas la plus simple, mais elle a le mérite d’être plus complète.
Tout d’abord, il faut clarifier un petit détail: le boson de Higgs n’a rien à voir avec Dieu. Toute cette histoire vient simplement d’une blague qui a maintenant fait son temps. Il est temps de passer à autre chose.
Quand on parle du Higgs, il faut en fait parler de trois aspects différents: le mécanisme de Higgs, le champ de Higgs et le boson de Higgs.
Aujourd’hui, on dispose d’une représentation théorique qui décrit à peu près tout ce que l’on connait du monde des particules qu’on appelle le Modèle Standard. Il repose sur deux principes simples : 1) toute matière est composée de particules élémentaires, les quarks et les leptons et 2) ces particules interagissent entre elles en échangeant d’autres particules associées aux forces fondamentales.
Le problème, c’est que les équations associées au Modèle Standard ne produisent que des particules sans masse, alors que nous savons que ces particules en ont une comme on a pu le mesurer des zillions de fois avec nos détecteurs.
Le « mécanisme de Higgs » est une représentation mathématique de ce qui se passe. Cette technique introduit trois nouvelles particules, des « bosons de Goldstone », en plus des trois particules sans masse associées aux forces électromagnétique et nucléaire faible. Ceci permet de réarranger les équations du Modèle Standard décrivant ces forces et hop! trois nouvelles particules ayant une masse surgissent des équations: les bosons W+, W– et Z0 ainsi que le photon, qui lui, reste sans masse. Et ce sont là les quatre particules qu’on sait être associées aux forces électromagnétique et faible.
Ce mécanisme devrait en fait porter les noms de toutes les personnes qui y ont contribué mais elles sont si nombreuses qu’on dit simplement « mécanisme de Higgs ».
Ce mécanisme, donc, décrit mathématiquement une entité physique, le « champde Higgs» qui envahit l’espace, tout comme un champ gravitationnel affecte tout l’espace autour d’un corps massif. Bien qu’on ne puisse pas voir ce champ, les particules élémentaires en ressentent les effets en acquérant une masse, tout comme nous ressentons l’attraction de la terre due à son champ gravitationnel.
Le champ de Higgs donnerait donc la masse à toutes les particules comme les électrons, les quarks, les bosons W et Z par exemple. Le fait que la masse mesurée des bosons Z et W corresponde aux valeurs prédites par la théorie incite à penser que ce champ de Higgs existe. Mais tant qu’on n’aura pas trouvé le boson de Higgs qui lui est associé, tout ça ne reste qu’une théorie et non une évidence irréfutable.
Le boson de Higgs quant à lui, ne serait qu’une excitation du champ de Higgs. J’avoue, c’est dur à avaler, mais c’est un peu comme l’atome d’hydrogène. Dans son état normal, il est complètement stable. Mais si on « l’excite » en lui fournissant de l’énergie, son électron saute au niveau supérieur. L’atome redevient stable en relâchant le surplus d’énergie sous forme de lumière en revenant au niveau stable.
Le champ de Higgs, comme l’atome d’hydrogène, peut absorber de l’énergie en quantité bien définie correspondant à la masse du boson de Higgs. L’énergie relâchée quand les protons entrent en collisions dans le Grand Collisionneur de Hadrons peut être absorbée localement par le champ et produire un état excité, qui est nul autre que le boson de Higgs. Mais cet état excité est lui aussi instable, et le boson se désintègrera rapidement en émettant toutes sortes de particules plus légères pour revenir à l’état fondamental stable.
Les recherches du CERN sur le boson du Higgs visent à établir son existence et ensuite, comprendre la nature du champ de Higgs, comment il peut être excité, comment il fonctionne. Le plus simple serait que cette excitation du champ donne naissance à une particule unique. C’est l’hypothèse du Modèle Standard. D’autres théories supposent qu’il pourrait y avoir plusieurs niveaux d’excitation, correspondant à autant de nouveaux bosons ou même des états composites.
Bon, dernier effort: il reste maintenant à voir comment le champ de Higgs donne la masse à toutes les particules. Imaginez une table de billard avec une surface en marbre parfaitement lisse. Si on lance une balle sur la table, elle se déplacera en ligne droite. Collez maintenant des piquets sur deux rangées serrées. La balle rebondira entre les piquets pour finalement atteindre l’autre côté, mais en prenant un peu plus de temps. Si la balle et les piquets sont parfaitement rigides, la balle rebondira sans perdre aucune énergie. Si on mesure sa vitesse comme le temps pris pour traverser la table, elle semble se déplacer plus lentement.
Une particule voyageant dans un espace rempli par un champ de Higgs ne peut plus voyager en ligne droite car elle ne cesse d’interagir avec ce champ. Elle voyage donc en zigzag et prend plus de temps pour atteindre l’autre côté, comme une boule de billard interagissant avec pleins de petits piquets qui ralentiraient sa progression.
Une physicienne dirait: il y a maintenant de la dispersion, la balle ne voyage plus en ligne droite, mais pas de dissipation, c’est-à-dire sans perte d’énergie.
Le champ de Higgs agit comme les piquets, empêchant la balle de voyager en ligne droite, mais sans lui faire perdre d’énergie.
En relativité, la masse est vue comme une forme d’énergie. C’est ce qu’exprime l’équation bien connue E = mc2 où c2, est le carré de la vitesse de la lumière et agit comme un taux d’échange entre la masse m et l’énergie E. C’est un peu comme si vous aviez deux types de monnaie dans votre poche. Si vous êtes au CERN, vous aurez des francs suisses et des euro. La somme des deux est l’argent que vous avez. Pour une particule qui se déplace, son mouvement et sa masse contribuent tous les deux à son énergie, comme l’illustre le graphique ci-dessous:
Pour une particule en mouvement, l’énergie vient de deux sources: son mouvement et sa masse. L’énergie est semblable à l’argent qu’on en dans deux types de devises différentes. On peut les convertir l’une en l’autre.
Imaginez maintenant une balle sans aucune masse qui se déplace sur une table de billard. Toute l’énergie qu’elle possède vient de son mouvement puisqu’elle n’a pas de masse.
Pour une particule sans masse, toute l’énergie vient de son mouvement. C’est comme avoir tout son argent dans une seule devise.
En présence d’un champ de Higgs, elle progressera moins rapidement, les petits piquets l’obligeant à avancer en zigzag. Un physicien dirait ici que sa vélocité de groupe, la vitesse à laquelle elle progresse, est réduite.
Voici maintenant la question à mille points: si la balle progresse plus lentement à cause du champ de Higgs, l’énergie associée à sa vitesse s’en trouve du coup diminuée. Mais si elle n’a pas perdu d’énergie, qu’est-ce qui vient compenser la perte d’énergie due au mouvement? Et oui, vous avez tout compris, la balle a acquit de la masse en interagissant avec le champ de Higgs. Une contribution à l’énergie totale provient maintenant de sa masse et se rajoute à la valeur réduite d’énergie du mouvement pour arriver à la même valeur totale d’énergie qu’au départ.
Une particule interagissant avec le champ de Higgs se déplace plus lentement mais son énergie totale demeure inchangée. Elle a donc moins d’énergie associée à son mouvement. Mais comme l’énergie totale est inchangée, la différence en énergie provient de ce qu’elle a acquit une masse. Comme si on avait converti une partie de nos francs suisses en euro.
Je résume: C’est le champ de Higgs qui donne la masse, et le boson de Higgs n’est qu’une excitation de ce champ. Toutes les particules qui interagissent avec ce champ acquièrent une masse puisqu’elles voyagent moins vite sans perdre d’énergie. Le mécanisme de Higgs décrit tout ça en termes mathématiques.
Dormez bien.
Pauline Gagnon
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