Il y a probablement très peu de personnes sur cette planète qui, à un moment donné, n'ont pas entendu le terme « Boson de Higgs », ainsi que le terme « Particule divine ». Alors que dans les années 2010, les scientifiques du CERN essayaient de trouver des preuves de l'existence de ce boson scalaire et avec lui des preuves de l'existence du champ de Higgs qui, selon le modèle standard, donne la masse pour mesurer les bosons comme les photons, cet effort a été communiqué dans les médias internationaux et ailleurs de diverses manières.
Parallèlement à cette frénésie médiatique, le physicien qui a donné son nom au boson de Higgs a également acquis une plus grande renommée, même si Peter Higgs était déjà une présence bien connue dans la communauté scientifique depuis des décennies jusqu'à sa retraite en 1996. décédé récemment des suites d'une brève maladie à l'âge de 94 ans, nous disons adieu à l'un des grands noms de la physique. Même si ce n’est pas un nom connu comme Einstein et Stephen Hawking, la chasse photogénique au boson de Higgs a fini par mettre en lumière une histoire qui a commencé dans les années 1960 avec une série d’articles.
Briser la symétrie
Une grande partie de ce que nous pouvons observer autour de nous est basée sur la symétrie, qu'il s'agisse de notre propre corps, de nos plantes ou de nos planètes. Or la question qu’il convient de se poser ici est : symétrique à quel niveau ? Une branche d'arbre est symétrique jusqu'à l'endroit où elle se ramifie, et son tronc est symétrique sauf là où il ne l'est pas. De la même manière, notre propre corps aime briser la symétrie, de sorte que nous n’avons qu’un seul foie et un seul cœur, même si nous avons généralement deux yeux et deux hémisphères cérébraux. Cette rupture de symétrie peut être observée à tous les niveaux, y compris celui de l’Univers lui-même au niveau fondamental.
Lorsque l’Univers est apparu pour la première fois, il aurait existé pendant un bref instant en parfaite symétrie dans son état de haute énergie, mais comme nous pouvons l’observer aujourd’hui, cet état n’a pas persisté. Plutôt que de maintenir cet état parfait de symétrie, quelque chose a provoqué la rupture spontanée de cette symétrie et sa séparation en zones de masse distincte. Ces zones fusionneraient en nébuleuses, en étoiles et, finalement, en galaxies grâce auxquelles nous pouvons aujourd'hui contempler notre place dans l'Univers. Déterminer la nature exacte de la rupture de symétrie qui a conduit à cela a fait l’objet de nombreuses discussions parmi les physiciens des particules au cours du XXe siècle.
Essentiellement, qu’est-ce qui pourrait briser la symétrie continue dans l’espace-temps ? La symétrie de jauge est ici la plus importante, car elle donne naissance aux forces fortes, faibles et électromagnétiques. La forte interaction est expliquée par la chromodynamique quantique utilisant le modèle des quarks. Les forces faibles (bosons W et Z) et électromagnétiques (photons) sont unifiées dans l’interaction électrofaible, mais ces particules nécessitent un mécanisme supplémentaire pour leur formation. Initialement, le modèle standard prévoyait que les bosons W et Z n'auraient pas de masse au repos, alors qu'en réalité ils ont des masses assez importantes. Pour résoudre ce problème, le mécanisme de Higgs a été introduit, qui impliquait le champ de Higgs et une particule de boson scalaire de courte durée qui n'avait ni spin, ni charge, mais une masse significative qui pouvait être conférée aux bosons de jauge en brisant la symétrie électrofaible.
Trois articles
Un aspect fascinant de l'histoire du mécanisme de Higgs est que l'aspect de rupture de symétrie qui le sous-tend a été exploré pratiquement simultanément par trois équipes différentes de physiciens au début des années 1960 et publié dans Lettres d'examen physique en 1964. Le premier article était de François Englert et Robert Brout, intitulé Symétrie brisée et masse des mésons vectoriels de jauge. Le second était de Peter W. Higgs et intitulé Symétries brisées et masses des bosons de jauge. Enfin, le troisième article a été rédigé par Gerald Guralnik, Carl Hagen et Tom Kibble (GHK) et intitulé Lois mondiales de conservation et particules sans masse.
Bien que ces articles semblent incroyablement similaires, ils proposent chacun une approche différente de la manière dont la masse pourrait apparaître dans les jauges vectorielles sans rompre l'invariance des jauges, c'est-à-dire que le champ lagrangien du système reste inchangé sous les transformations locales (lagrangien invariant). La théorie de base derrière la rupture spontanée de symétrie avait été publiée par Yoichiro Nambu en 1960, ce qui a conduit à son intégration dans un mécanisme capable de résoudre l'énigme des bosons W et Z sans masse. Parmi ceux-ci, les articles sur Higgs et GHK contenaient les équations d'un champ hypothétique qui deviendrait connu sous le nom de champ de Higgs, ainsi que le boson scalaire nouvellement proposé. Ici, une autre différence majeure est que dans l'article de Higgs, le boson scalaire a une grande masse, alors que dans l'article de GHK, il est sans masse, semblable à la quasi-particule du boson de Nambu-Goldstone proposée par Yoichiro Nambu.
Après ces articles, Steven Weinberg et Abdus Salam ont montré indépendamment l'un de l'autre en 1967 comment le mécanisme de Higgs pouvait briser la symétrie électrofaible, conduisant à la formulation du modèle standard tel que nous le connaissons aujourd'hui. Cela a également ouvert la voie à la réalisation d’une expérience susceptible de fournir la preuve de l’existence du champ de Higgs, en utilisant la masse du boson qui lui est associé.
Débris de collision
Comment détecter une particule subatomique ? La réponse est clairement de construire les plus grands instruments scientifiques connus de l'homme, car ce n'est que lorsque la construction du Grand collisionneur de hadrons (LHC), avec sa circonférence de 27 kilomètres, a terminé sa construction en 2008, que l'humanité disposait d'un collisionneur de particules doté de suffisamment d'énergie pour tester de manière concluante. pour l'existence du boson de Higgs. Avec les premières collisions en 2010, la course était lancée pour détecter cet insaisissable boson scalaire dont on soupçonnait la masse massive. Le seul problème était que ce boson devait exister si brièvement que tout détecteur utilisé ne serait capable de détecter que ses produits de désintégration.
Chaque processus de désintégration crée ce qu'on appelle un « canal de désintégration », qui est en fait une signature particulière. En raison de la rareté de la formation d'un boson de Higgs, de nombreuses collisions seraient nécessaires pour que les deux principaux détecteurs de particules du LHC (ATLAS et CMS) collectent suffisamment de ces signatures pour établir avec une certaine certitude (règle typique des cinq sigma) que le boson de Higgs se forme rarement. les canaux détectés provenaient bien de ce nouveau boson. Avec la quantité de données générées par chaque collision et les deux détecteurs de particules, cela revenait à chercher une aiguille dans une botte de foin.
Puis, en 2012, le niveau de confiance cinq sigma a été atteint et dépassé, conduisant à la frénésie médiatique susmentionnée, car beaucoup avaient compris que quelque chose de monumental était sur le point de se produire dans le monde de la physique des particules, avec des conséquences potentiellement considérables. Comme le boson de Higgs, ~125 GeV/c2 la masse était annoncée, le monde avait déjà en grande partie évolué, au-delà de la compréhension que la « particule divine » avait été trouvée. Pourtant, pour les physiciens des particules, il s’agissait d’un événement monumental, même si bon nombre des personnes présentes dans les années 1960 et 1970, au moment où ces prédictions ont été formulées, n’étaient plus là pour en être témoins.
Le modèle standard était maintenant terminé, mis à part le petit problème de cette question de « gravité » et de ce qui pourrait être des gravitons.
Au-delà de la physique
Pour Peter Higgs, le domaine de la physique des particules représentait une grande partie de sa vie, même s'il aimait aussi la randonnée et s'exprimait ouvertement dans un certain nombre de domaines. C'est lors de la Campagne pour le désarmement nucléaire (CND) du Royaume-Uni qu'il a rencontré une autre militante, Jody Williamson, qu'il a fini par épouser. Il était également membre de Greenpeace et identifié comme athée, plus intéressé par la réalité de la science que par toute sorte d’idéologie dogmatique. Cela l’a amené à quitter le CND dès qu’ils ont commencé à faire campagne contre l’énergie nucléaire (« une très grave erreur ») et de même avec Greenpeace lorsqu’ils ont commencé à s’opposer aux organismes génétiquement modifiés (OGM). Qualifiant leurs actions d'« hystériques », il a dû démissionner de son adhésion.
Cela lui a rendu la tâche difficile lorsque le terme « particule divine » a commencé à circuler. Le terme lui-même semble provenir du livre de Leon M. Lederman La particule divine, en raison de la façon dont le boson de Higgs est si insaisissable et pourtant essentiel à l’existence même de l’Univers et de tout ce qu’il contient. Sans le champ et le mécanisme de Higgs, il n'y aurait pas de galaxies, pas de planètes, pas de soleils, ni de vie qui puisse s'interroger sur sa place dans tout cela. Comme ce nom a conduit beaucoup de gens à confondre le boson scalaire avec quelque chose de profond sur le plan religieux, y compris la preuve de l'existence de la ou des divinités préférées, cela a vraiment frotté Peter Higgs dans le mauvais sens.
Au cours des années qui ont suivi la découverte du boson de Higgs, encore plus de détails ont été apportés, cimentant la place du mécanisme de Higgs dans le modèle standard et donnant à Peter Higgs la connaissance que ses théories étaient effectivement correctes, un honneur qu'il partageait avec d'autres. physiciens impliqués dans cette découverte qui a duré plusieurs décennies. Même s'il ne sera pas là pour voir ce qui va suivre, ce sont les efforts de scientifiques comme Peter Higgs qui inspireront les futures générations de scientifiques pour les siècles à venir.
