La découverte du boson de Higgs a 7 ans!

To my English readers, I discuss today the Higgs boson discovery that happened on July 4^th, 2012. It is the anniversary of this event, and thus the motivation for writing this post. I will however write it in French, as all shared pieces of information are already available from this post in English.

Le 4 juillet dernier marquait non seulement l’indépendance des Etats-Unis (qui est peu intéressant du point de vue de la physique des particules), mais également l’anniversaire de la découverte du boson de Higgs.

Cette dernière a en effet été annoncée à Melbourne (avec retransmission en direct au CERN) le 4 juillet 2012.

Le boson de Higgs est la dernière particule du Modèle Standard de la physique des particules à avoir été découverte.

Bien que son existence ait été postulée depuis 1967, il aura fallu attendre le Grand Collisionneur de Hadrons du CERN (le LHC), et donc quasi 50 ans, afin de pouvoir l’observer.

Les physiciens des particules sont des gens très patients… ;)

Afin de célébrer l’anniversaire de cette découverte, je vais retracer dans ce post les grands moments de la recherche du boson de Higgs des 30 dernières années.

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Quelques rappels sur le boson de Higgs

Pour tous les détails les plus intimes du boson de Higgs, je me réfère à cet article écrit il y a peu. Je ne me répéterai pas ici et me contenterai des grandes lignes.

Comme déjà dit ici et là, le Modèle Standard de la physique des particules est une théorie qui marche incroyablement bien. Nous avons des milliers de mesures, et toutes montrent un excellent accord avec la théorie. Cela fait d’ailleurs du Modèle Standard l’une des théories les plus testées de tous les temps.

Dans le Modèle Standard, les interactions fondamentales découlent de principes de symétrie (les symétries de jauge).

Ces symétries ont le gros avantage de reproduire précisément la façon dont les particules élémentaires interagissent entre elles. Mais elles interdisent également aux particules d’être massives.

Nous savons cependant, d’après les données, que la plupart des particules sont massives. Nous avons donc un problème et deux solutions pour le fixer.

Soit on jette la théorie à la poubelle (et on n’a pas fait ça), soit on la modifie (et voici notre boson de Higgs).

Le mécanisme de Brout-Englert-Higgs (et pas seulement de Higgs!) permet de garder à la fois les concepts de symétrie qui marchent bien et d’introduire la masse des particules de façon élégante. Le prix à payer pour ce mécanisme est une particule supplémentaire: le boson de Higgs. Sa découverte était donc ce qui manquait pour valider expérimentalement la théorie.

Comme promis, je ne donnerai aucun détail car ils sont tous déjà disponibles ici.

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La masse du boson de Higgs

En incluant le mécanisme de Brout-Englert-Higgs dans le Modèle Standard, on ajoute un paramètre libre à ce dernier: la masse du boson. Ce qui veut dire que la masse du boson de Higgs peut être plus ou moins ce que l’on veut. Lourd ou léger, tout marche.

Ou presque: la théorie nous met une limite supérieure: si le boson de Higgs est trop lourd, le Modèle Standard se casse la figure. Cette limite est de 1 TeV, ce qui correspond à un peu moins de 10% de l’énergie du LHC.

C’est plutôt une bonne nouvelle pour les recherches: le boson de Higgs peut être produit au LHC, quoi que soit sa masse (sauf si le Modèle Standard n’est pas la bonne théorie à considérer).

_{[image credits: fait maison]}

Malgré cela, il nous faut considérer un grand nombre de possibilités… Par conséquent, il a fallu introduire de nombreuses stratégies d’analyse différentes: un boson de Higgs léger ne se cherche pas de la même façon qu’un boson de Higgs lourd.

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Avant 2012…

La chasse au boson de Higgs a débuté dans les années 1990 avec le Grand Collisionneur Electron-Positron du CERN, le LEP, et le collisionneur Tevatron à Fermilab aux USA (proche de Chicago).

Le LEP a fonctionné dans le même tunnel que celui dans lequel se trouve aujourd’hui le LHC. Même si en fait c’est plutôt l’inverse: on a recyclé le tunnel du LEP pour y mettre le LHC :)

Cette machine a collisionné des électrons et des positrons pendant plus de 10 ans et a permis de sonder les Higgs légers.

Comme résultat, il se trouve que 10% de tous les scénarios ont été sondés, et la masse du boson de Higgs est alors contrainte à être supérieure à 114 GeV.

Pour rappel, 1 GeV est une unité centrale en physique des particules et correspond à la masse d’un proton (ou un noyau d’hydrogène).

De 1908 à fin 2011, le Tevatron a étudié des options plus massives en collisionnant des protons et des antiprotons à une énergie environ 7 fois moindre que celle du LHC. A nouveau, le boson de Higgs échappe aux physiciens, mais il fallait s’y attendre (historiquement, on n’a jamais découvert le moindre boson du Modèle Standard aux USA).

Et bien sûr, de 2009 à 2011, le LHC s’est joint à l’aventure, mais sans succès.

Fin 2011, le résumé des contraintes sur le Higgs ressemble alors à ça:

_{[image credits: fait maison]}

Le LEP a exclu la partie orange, le Tevatron la partie verte et le LHC la partie bleue. Il reste donc plus de 50% des options après plus de 30 années de dur labeur!

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La découverte et … la suite

(car il faudra patienter au moins 20-30 ans pour la conclusion)

En 2012, les choses changent. Les collaborations ATLAS et CMS du LHC annoncent chacune avoir observé quelque chose entre les zones orange et bleue ci-dessus: un boson de Higgs (ou en tous cas quelque chose qui lui ressemble). Dans les données, cela correspond aux deux bosses (transparente à gauche et bleue à droite) sur les figures ci-dessus.

_{[image credits: ATLAS et CMS]}

Un an plus tard, un prix Nobel récompensera tout ces efforts.

Bien sûr, on peut se demander si ce qui a été observé est bien le boson de Higgs tant recherché. Pour répondre à cette question, il faut mesurer les propriétés de la nouvelle particule. Pour le moment, tout colle avec les prédictions du Modèle Standard. Mais les incertitudes sont encore grandes, et certaines propriétés ne pourront simplement pas être mesurées au LHC.

Pour cette raison, les physiciens des particules discutent activement de la machine qui devra être construite dans un futur proche… Le voyage n’est en effet pas terminé!

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