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Pourquoi le boson de Higgs est la découverte scientifique de la décennie

La science ne cesse jamais de nous surprendre. Aucune décennie ne passe sans son lot de grandes découvertes. Ne serait-ce qu'en 2019, la communauté scientifique comme bon nombre de curieux et curieuses avaient les yeux rivés sur la toute première image d'un trou noir. L'ingénierie génétique a connu aussi son lot de révolutions, entre les ciseaux génétiques Crispr et le Prime Editing. Nous avons aussi percé un peu plus les mystères de l'Univers avec la détection historique d'ondes gravitationnelles. Mais s'il ne fallait retenir qu'une seule découverte, la rédaction de Numerama a choisi d'opter pour le boson de Higgs.

D'où vient la masse associée à la matière qui nous entoure ? C'est du côté de ce fameux boson que l'on peut trouver une bonne partie de la réponse. Le Modèle standard de la physique postule que l'Univers est gouverné par quatre interactions élémentaires, des forces fondamentales : l'interaction électromagnétique, l'interaction gravitationnelle l'interaction nucléaire forte, l'interaction nucléaire faible. Même s'il existe quatre forces différentes, les physiciens cherchent à les unifier, dans le but d'aboutir à une théorie du tout. 

L'interaction électromagnétique et la force nucléaire faible sont par exemple unifiées sous la forme d'une force originelle qui les relie : la force électrofaible. Sauf que pour les rassembler ainsi, la « théorie du tout » du Modèle standard fait face à un gros problème. Chaque force possède son propre type de particules élémentaires. La force électromagnétique est associée au photon, là où la force faible est associée aux bosons W et Z. C'est là que l'unification coince : la symétrie attendue est brisée, car le photon a une masse nulle (d'où la possibilité d'une « vitesse de la lumière »), ce qui n'est pas le cas des bosons W et Z, très massifs. Comment faire perdurer la théorie de l'unification face à des forces tellement différentes quant à un ingrédient aussi essentiel que leur masse ? Ainsi naquit le champ de Higgs dans le Modèle standard de la physique.

Le champ de Higgs

Ce champ (et son boson associé) porte le nom de seulement l'un des théoriciens l'ayant conceptualisé, Peter Higgs, mais sa dénomination complète est champ de Brout-Englert-Higgs-Hagen-Guralnik-Kibble. Tous ces physiciens ont contribué à construire ce modèle au fil de l'histoire. Mais venons-en maintenant à ce que signifie, justement, le modèle en question.

L'Univers serait rempli d'un champ spécifique donnant leur masse aux particules élémentaires. Ce champ était présent dès le Big Bang, mais il était nul. Les bosons des forces étaient donc, eux aussi, vides de toute masse -- y compris les bosons W et Z. À mesure que l'Univers s'est refroidi, il s'est spontanément chargé. Toutes les particules élémentaires qui ont interagi avec le champ de Higgs ont acquis une masse ; et plus cette interaction a été prolongée, plus la masse s'avère in fine élevée. Le photon n'a pas interagi avec le champ du fait de sa nature, donc sa masse est nulle ; mais les bosons W et Z ont énormément interagi au point d'obtenir leur masse.

La théorie est bien belle sur le papier, mais pour être prouvée, elle doit être observée. Cela tombe bien : les champs de l'Univers se manifestent tous, quand ils existent, par une particule visible. Dans le cas du champ de Higgs, cette particule est nommée boson de Higgs. Il ne manquait plus qu'une seule chose : le détecter. Ce fut le cas en 2012.

Champagne et confettis au LHC

C'est aux scientifiques du CERN que l'on doit cette découverte, grâce au Grand collisionneur de hadrons (LHC), l'accélérateur de particules mis en fonctionnement en 2008 près de Genève. Dans ce long couloir circulaire de 27 kilomètres, des protons y sont très rapidement accélérés, ce qui porte leur masse très haut tout en produisant des collisions — un outil idéal en physique des particules. Il est possible de recréer des conditions similaires à l'environnement primordial de l'Univers.

La bonne nouvelle est tombée le 4 juillet 2012. Deux expériences parallèles du LHC, les détecteurs ATLAS et CMS, ont détecté un boson dans une région de masse de l'ordre des 126 GeV, très exactement là où l'on attendait le boson de Higgs. Cela ne pouvait être rien d'autre que cette particule tant recherchée venant prouver -- cinquante ans après l'émergence la théorie -- l'existence du champ de Higgs. Cette découverte venait préciser le Modèle standard de la physique et confirmer toujours un peu plus l'idée d'une unification des forces.

L'année suivante, en 2013, Peter Higgs et François Englert ont conjointement reçu le Prix Nobel de physique, pour « la découverte théorique du mécanisme contribuant à notre compréhension de l’origine de la masse des particules subatomiques et récemment confirmée par la découverte, par les expériences ATLAS et CMS auprès du LHC du CERN, de la particule fondamentale prédite par cette théorie ».