HIGGS BOSON DE

Depuis la découverte du neutron, du muon, des divers mésons, des neutrinos puis des six quarks, des gluons et des bosons W et Z vecteurs de l'interaction faible, la chasse aux nouvelles particules est un des fils conducteurs les plus lisibles de la physique subatomique. Si certaines de ces découvertes furent une surprise, la plupart d'entre elles vinrent étayer une théorie proposée afin de rendre mathématiquement cohérente la compréhension d'un ensemble de faits expérimentaux. La mise en évidence d'un possible boson de Higgs était ces dernières décennies la priorité des physiciens des particules. Les résultats annoncés en juillet 2012 sont une double réussite de ce domaine frontière des connaissances scientifiques. D'une part, c'est un indéniable succès expérimental avec la mise au point d'un gigantesque ensemble d'accélérateurs de particules, de détecteurs et d'outils informatiques de traitement des données. D'autre part, ces résultats annoncent aussi la magnifique confirmation d'une construction théorique audacieuse expliquant globalement la masse et les interactions des constituants de la matière.

En une centaine d'années d'étude, la physique subatomique a mobilisé tant d'efforts et d'inventivité, et elle est parvenue à tant de succès intellectuels qu'elle jouit d'une aura et d'une réputation qui ne peuvent guère être comparées qu'à celle de l'astronomie ou celle des processus terrestres naturels. Pourtant, contrairement à ces derniers, elle ne peut fasciner par l'image et ses découvertes ne sont finalement accessibles qu'après un ardu chemin d'initiation physico-mathématique. Ainsi en est-il du problème de la masse des particules, problème étroitement lié à la recherche du boson de Higgs. Au premier abord, qu'y a-t-il d'étonnant au fait que certaines particules aient des masses plus élevées que d'autres ? Ne sommes-nous pas entourés d'objets de masses diverses ? Les étoiles et les planètes n'ont-elles pas toutes des masses différentes ? Les éléments eux-mêmes, de l'hydrogène à l'uranium, n'ont-ils pas des masses atomiques variées ? Pour un physicien, la masse d'un objet, ou celle d'un atome, est d'abord la somme des masses de ses constituants, diminuée de l'effet relativiste de l'énergie de liaison. Reste donc à comprendre la masse d'une particule élémentaire et à évaluer ces énergies de liaison. C'est à la première partie de ce défi que la découverte du boson de Higgs en 2012 apporte une réponse.

Le modèle standard des interactions fondamentales

La compréhension actuelle des forces fondamentales (si l'on excepte la gravitation qui échappe à cette description) repose sur trois piliers : la mécanique quantique qui associe onde et particule comme deux aspects d'un même objet physique, la théorie des champs qui explicite la propagation et les interactions de ces objets, les groupes de symétrie qui contraignent la description mathématique des particules et de leurs interactions. Rappelons rapidement les ingrédients essentiels de ces notions. L'interaction électromagnétique est comprise au niveau élémentaire comme l'échange de photons entre particules chargées. La symétrie fondamentale est l'« invariance de jauge » qui exprime qu'on ne peut pas distinguer la phase (au sens de la phase des nombres complexes) des fonctions d'ondes des particules. Cette symétrie implique l'existence d'un boson de masse nulle : le photon. L'interaction nucléaire forte s'exprime au niveau le plus fin comme due à l'échange de gluons entre des quarks. La symétrie fondamentale est la « symétrie de jauge de couleur », une symétrie abstraite dont le groupe mathématique a pour représentation des triplets de quarks (q_r, q_b, q_v où r, b, v dénote la couleur rouge, bleue ou verte, portée par chaque quark u, d, s, c, b ou t) et des octets de gluons portant une couleur et une anticouleur. Les quarks ont des masses variées mais les gluons ont une masse nulle. Soulignons que cette théorie est mathématiquement cohérente quelle que soit la valeur des masses des quarks, mais seulement si les gluons ont une masse nulle. Expérimentalement, les gluons semblent bien avoir une masse nulle. Enfin, l'interaction nucléaire faible, responsable de la radioactivité β, concerne toutes les particules de matière (c'est-à-dire toutes les particules élémentaires à l'exception du photon et des gluons) et ne se comprend comme une théorie de jauge qu'en la plongeant dans une interaction « électrofaible » qui l'unifie à l'électromagnétisme. Si l'électromagnétisme s'exprime par l'échange de photons, l'interaction électrofaible met de plus en jeu les trois bosons W⁺, W^– et Z⁰. Mais la réalité expérimentale impose que ces bosons aient des masses considérables, environ cent fois supérieures à la masse du proton, ce qui contredit l'application habituelle des principes de symétrie de jauge, qui affirment la nullité de la masse des photons et des gluons.