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Qu’est-ce que le boson de Higgs? - Par : Darine Ameyed,

Qu’est-ce que le boson de Higgs?


Darine Ameyed
Darine Ameyed est postdoctorante au Département de génie de la production automatisée à l’ÉTS. Ses intérêts de recherche portent sur l’informatique ubiquitaire et omniprésente, l’intelligence artificielle et l’interaction homme-machine.

RÉSUMÉ:

Qu’est-ce que le boson de Higgs mange en hiver et autres détails essentiels est le titre du livre de vulgarisation scientifique écrit par Pauline Gagnon, physicienne et chercheuse au sein de l’équipe ATLAS au CERN (qui a donné une conférence sur ce sujet le 2 mars 2015 à l’École de technologie supérieure (ÉTS) de Montréal). Cet article permet de mieux comprendre ce fameux boson et la raison de tout l’émoi que sa découverte a provoqué.

 

Le Boson de Higgs : la découverte

Le 4 juillet 2012, le Conseil européen pour la recherche nucléaire (CERN) annonçait sa grande découverte au monde. Les expériences ATLAS et CMS menées au Grand collisionneur de hadrons (LHC) ont confirmé l’observation d’une nouvelle particule dont la masse est d’environ 126 gigaélectronvolts (GeV). Le boson détecté présente des caractéristiques semblables à celles du mythique boson de Higgs. Ce « chaînon manquant » prédit par la physique depuis 50 ans était détecté pour la première fois de façon expérimentale.

Dans cet article, nous allons vous expliquer les concepts théoriques liés à cette découverte : Qu’est-ce que le boson de Higgs? Qu’est-ce que le Modèle standard? Qu’est-ce que le mécanisme de Brout-Englert-Higgs? Dans un article ultérieur, nous vous présenterons l’expérience ATLAS qui est derrière cette précieuse découverte.

boson higgs

Figure 1. La difficulté de le capturer…

Le boson de Higgs expliqué

Un modèle théorique a été conçu pour décrire les composantes de la matière et les forces qui agissent sur elles. Ce modèle dit le Modèle standard (voir la vidéo ci-dessous) est né de l’étroite collaboration entre la théorie et l’expérience qui a permis d’affirmer ou d’éliminer différentes théories. Ce modèle stipule que toute la matière est faite de particules fondamentales : les leptons et les quarks.

Figure1. Les différents constituants de la matière.

Figure 2. Les différents constituants de la matière.

Il existe 12 particules et chacune a son antiparticule. Toutes ces particules appartiennent à la classe des fermions. Elles interagissent entre elles en échangeant d’autres particules appelées bosons.

Sans le mécanisme appelé Brout-Englert-Higgs, les équations du Modèle standard ne prédiraient que des particules sans masse. Ce mécanisme, proposé en 1964 par plusieurs théoriciens, décrit l’existence d’un champ qui remplit tout l’Univers. Les particules fondamentales obtiennent leur masse en interagissant avec ce champ de Brout-Englert-Higgs. Plus les particules interagissent avec le champ, plus elles acquièrent une masse importante. Le boson de Higgs est une excitation du champ de Brout-Englert-Higgs et son existence démontre la présence de ce champ.

Figure 2. Les particules du Modèle standard.

Figure 3. Les particules du Modèle standard.

Le mécanisme de Higgs expliqué

Le champ de Higgs est associé au fameux boson de Higgs. Ce Boson permet au champ d’échanger avec les autres particules et de leur allouer une masse. Pour mieux le comprendre, le physicien et professeur David J. Miller de l’Université de Glasgow en Angleterre nous propose une analogie entre le mécanisme de Higgs et une soirée mondaine.

fete-aImaginons donc une soirée regroupant un ensemble de personnes uniformément réparties dans une salle de réception où ces dites personnes parlent à leurs voisins les plus proches. Cet état représente le champ de Higgs.

fete-bLorsqu’une nouvelle personne entre dans la salle, les personnes s’assemblent autour d’elle.

fete-cPlus cette personne est célèbre, plus elle attire les gens. En raison du nombre de personnes regroupées autour d’elle, elle acquiert une masse supérieure à la normale. Cette masse l’empêche de se déplacer facilement à travers la pièce de façon comparable à une particule se déplaçant dans le champ de Higgs.

fete-dImaginons maintenant qu’une des personnes de la salle lance une rumeur.

 

 

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fete-eCette rumeur va se propager parmi les invités et constituer des petits groupes qui vont discuter de la rumeur et la propager comme si elle acquiert elle-même une masse. Dans cette analogie, les regroupements représentent les particules de Higgs.

 

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Le champ de Higgs remplit notre Univers. Nous en avons besoin pour expliquer pourquoi la particule élémentaire neutre boson Z et la particule fondamentale boson W qui portent les interactions faibles sont si lourdes, tandis que le photon qui porte des forces électromagnétiques est sans masse.

L’expérience ATLAS

Deux des outils utilisés en physique des particules sont les accélérateurs et les détecteurs. Un accélérateur comme le LHC accélère des protons pour produire de nouvelles particules à partir de l’énergie dégagée lors de leurs collisions. Durant l’expérience, deux faisceaux de protons sont accélérés dans l’anneau souterrain. Ils ont atteint une énergie de 4 000 GeV. Il y a quatre grands détecteurs sur le circuit ovale de 27 km du LHC pour détecter les particules qui y sont produites.

Quand les particules s’entrechoquent, le détecteur agit comme un appareil photo géant qui permet de reconstruire l’événement initial. ATLAS et CMS sont installés aux points de rencontre de ces faisceaux pour capter toutes les particules produites à la suite de leurs collisions. En analysant l’énergie, la direction et l’identité, elles peuvent tracer l’existence du boson de Higgs.

Figure : Représentation simulée de la collision de deux protons et des particules émises.

Figure 4 : Représentation simulée de la collision de deux protons et des particules émises.

L’importance du boson de Higgs

Le boson de Higgs était un chaînon manquant important. La découverte de ce boson est venue compléter une théorie, expliquer et prouver un mécanisme par lequel toutes particules fondamentales acquièrent une masse. Grâce à cette découverte, nous avons une image beaucoup plus précise nous permettant de comprendre comment la matière est faite. Le boson de Higgs était l’ultime pièce manquante du Modèle standard de la physique des particules ainsi que la clé pour comprendre l’Univers.

Prochain article

Dans un prochain article, nous discuterons de l’importance, des applications et des avancements de la découverte du boson de Higgs avec madame Pauline Gagnon, physicienne et chercheuse au sein de l’équipe ATLAS au CERN, qui était notre invitée à l’École de technologie supérieure (ÉTS) pour une conférence de vulgarisation scientifique sur le boson de Higgs et pour le lancement de son livre Qu’est-ce que le boson de Higgs mange en hiver et autres détails essentiels.

Auteure

darine ameyedDarine Ameyed est doctorante, auxiliaire d’enseignement à l’ETS et l’Université de Montréal. Elle réalise des recherches dans le domaine de l’informatique ubiquitaire et l’informatique omniprésente, les espaces des services  et l’interaction homme-machine.

 

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  • Image d’en-tête de McCauley, Thomas et Taylor, Lucas; pour la collaboration CMS, licence CC, source;
  • Figure 1 : image de Benoît Crouzet, licence CC, source;
  • Figure 2 : image provenant de l’auteur : la licence CC de Substance ÉTS s’applique;
  • Figure 3 : l’image du Modèle standard provient de Latham Boyle, licence CC, source;
  • Les images de l’analogie du physicien David J. Miller proviennent du site ATLAS Experiment : sans restriction d’usage connue, source;
  • Figure 4 : l’image du boson de Higgs provient de Lucas Taylor, licence CC, source.

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