Harry Cohen Tanugi

Qu'est-ce que le boson de Higgs et le champ de Higgs ?

"Nous sommes faits d'étoilescomme l'a déclaré succinctement le grand Carl Sagan. Tout ce que vous connaissez, même vous-même, est constitué des mêmes particules fondamentales.

Mais au début de l'univers, aucune de ces particules n'avait de masse ; elles se déplaçaient toutes à la vitesse de la lumière. C'est seulement parce que les particules ont obtenu leur masse à partir d'un champ fondamental lié au boson de Higgs que les étoiles, les planètes et la vie ont pu se former.

C'est du moins ce que dit la théorie. Mais cette idée a reçu un sérieux soutien réel lorsque la particule du boson de Higgs a été découverte au CERN en 2012, prouvant enfin que ce champ donne à la matière, eh bien la masse.

Inutile de dire qu'il s'agissait d'un événement majeur dans le monde de la physique ! La raison de cet événement est que le modèle standard (nous y reviendrons plus tard) explique les 17 particules élémentaires et trois des quatre forces fondamentales qui composent notre univers.

Ce sont, en fait, les briques LEGO de l'univers ! Mais elles n'existeraient pas sans le boson de Higgs.

Alors qu'est-ce que c'est ? Nous allons le découvrir.

Qu'est-ce que le boson de Higgs ?

En 1964, le physicien anglais Peter Higgs a soumis un article à un journal scientifique qui soutenait que tout l'espace est rempli d'un champ, qui a été appelé le champ de Higgs, et qui transmet les informations suivantes masse aux objets. Scientifiquement, la masse est définie comme la résistance offerte par un corps de matière à un changement de vitesse ou de position lors de l'application d'une force.

art du boson de higgs
Une image rendue en 3D d'une onde de gravité. Source : koto_feja/iStock

Pour certains éminents scientifiques de l'époque, dont le grand et regretté Stephen Hawking, le concept d'un champ conférant une masse semblait ridicule.

En fait, il a fait une 100 dollars avec le physicien Gordon Kane. que les physiciens ne trouveraient pas le boson de Higgs. Lorsque les physiciens ont trouvé la particule en 2012, Hawking a perdu son pari et a déclaré que cette découverte rendait la physique moins intéressante.

Non seulement il avait perdu son pari, mais la découverte l'a amené à une conclusion très désastreuse sur la particule. Il a expliqué dans un livre d'essais et de conférences intitulé "Starmusque cette particule pourrait un jour causer la fin de l'univers tel que nous le connaissons.

Les scientifiques autres que Hawking sont d'accord avec cela. La théorie d'une Le boson de Higgs, l'apocalypse existe depuis un certain temps. Elle affirme qu'une fluctuation quantique pourrait provoquer une "bulle" de vide qui s'étendrait dans l'espace et détruirait l'univers. Cependant, les scientifiques ne pensent pas que cela se produira de sitôt.

Mais pourquoi ? Et comment ?

Vous pouvez penser au champ de Higgs de cette façon : Poussez une balle de ping-pong dans l'air et elle se déplace presque sans résistance, mais poussez cette même balle de ping-pong dans l'eau, et elle sera beaucoup plus difficile à pousser. Le champ de Higgs est un peu comme l'eau.

Lorsque la revue scientifique a initialement rejeté l'article de Higgs, celui-ci l'a révisé en ajoutant que sa théorie prédisait l'existence d'un champ de Higgs. boson lourd.

peter higgs
Le professeur Peter Higgs. Source : Bengt Nyman/Wikimedia Commons

Dans les années 1970, les physiciens ont réalisé qu'il existait des liens très étroits entre la force faible et la force électromagnétique. Ils ont développé les équations de base d'une théorie unifiée qui proposait que l'électricité, le magnétisme, la lumière et certains types de radioactivité sont tous des manifestations d'une force unique connue sous le nom de force électrofaible. Cette force est véhiculée par le photon, et les W et Z bosons.

Mais il y avait un problème. Les équations prédisent que ces particules n'ont pas de masse, et les physiciens savaient déjà que les bosons W et Z ont une masse. Heureusement, les théoriciens Robert Brout, François Englert et Peter Higgs ont fait une proposition pour résoudre ce problème. Ils ont proposé que les bosons W et Z interagissent avec une force appelée "champ de Higgs". Ce champ donne de la masse aux particules échangées dans les interactions faibles mais pas aux photons échangés dans les interactions électromagnétiques. Plus une particule interagit fortement avec le champ de Higgs, plus elle finit par être lourde.

Peu à peu, d'autres physiciens se sont rendu compte que l'idée de Higgs s'accordait parfaitement avec les équations du modèle standard. Le seul problème était qu'il n'y avait aucune preuve expérimentale pour étayer la théorie. Si le champ de Higgs existait, il devait impliquer un boson de jauge (une particule "porteuse de force" qui sert de médiateur ou transmet la force électromagnétique).Les calculs des physiciens ont montré que le boson de Higgs devait être très massif et qu'il devait se désintégrer presque immédiatement.

Comment provoquer l'apparition d'une particule aussi massive et éphémère ? Il faudra attendre encore 30 ans pour que soient créés des collisionneurs de particules, des détecteurs et des ordinateurs capables de rechercher les bosons de Higgs.

Le Grand collisionneur de hadrons est né.

Qu'est-ce que le modèle standard en physique ?

Le Modèle Standard a commencé à prendre forme en 1897, lorsque le physicien anglais J.J. Thomson a découvert l'électron, et il n'a été considéré comme "complet" qu'en 2012, avec la découverte du boson de Higgs.

Modèle standard de la physique des particules
Modèle standard de la physique des particules. Source : MissMJ Cush/Wikimedia Commons

Comme le montre le graphique ci-dessus, notre univers est composé de six quarks et de six leptons. Ce sont les particules qui composent les atomes - les quarks à l'intérieur des protons et des neutrons, et les électrons autour des noyaux.

Quatre forces fondamentales sont à l'œuvre dans notre univers : l'électromagnétisme, la force forte, la force faible et la gravité. Malheureusement, le modèle standard ne peut pas rendre compte de la gravité (s'il s'agit bien d'une force réelle), donc pour l'instant, nous allons devoir l'ignorer.

Les autres tes trois autres forces résultent de l'échange de particules "porteuses de force", ou bosons de jauge. Les particules transfèrent des quantités discrètes d'énergie en échangeant des bosons entre elles. Chaque force fondamentale a son propre boson correspondant..

La force électromagnétique est transmise entre les particules chargées électriquement par le photon, qui est sans masse. La force faible est transmise entre les quarks et les leptons par les bosons de jauge W+, W- et Z, qui sont des particules massives, le boson Z étant plus massif que le W±.

La force forte est transmise entre les quarks par huit gluons, qui sont sans masse. Les quarks et les gluons sont "chargés en couleur". Les particules chargées en couleur échangent des gluons dans le cadre d'interactions fortes. Deux quarks peuvent échanger des gluons et créer un champ de couleur très fort qui lie les quarks entre eux. Les quarks changent constamment de charge de couleur lorsqu'ils échangent des gluons avec d'autres quarks. Les gluons ayant eux-mêmes une charge de couleur, ils peuvent interagir les uns avec les autres.

Le boson de Higgs se tient seul à l'extrême droite du tableau du modèle standard, comme un roi ou une reine. Il n'est peut-être pas exagéré de le qualifier de royal. En fait, le physicien Leon Lederman l'a surnommée "la particule de Dieu". Lederman a inventé cette expression pour le titre de son livre de 1993, La particule de Dieu : Si l'univers est la réponse, quelle est la question ?

Quel est le rapport entre le Grand collisionneur de hadrons et le boson de Higgs ?

Le site Grand collisionneur de hadrons (LHC), qui a ouvert ses portes en septembre 2008, est situé au CERN, ou Conseil européen pour la recherche nucléaire. Il s'agit d'un anneau de 27,35 km de long qui s'étend principalement sous Genève, en Suisse. Il utilise environ 9 000 aimants supraconducteurs pour rassembler des millions de protons qui tournent autour de l'anneau dans les deux sens, à une vitesse proche de celle de la lumière.

grand collisionneur de hadrons
Le grand collisionneur de hadrons. Source : xenotar/iStock

En des points précis de l'anneau, les deux faisceaux de protons entrent en collision et produisent des gerbes de particules qui sont observées par d'énormes détecteurs. Le 4 juillet 2012, les physiciens du monde entier se sont réunis dans des salles de réunion pour entendre et voir une conférence de presse donnée au CERN.

Le but de la conférence de presse était d'annoncer la découverte du boson de Higgs et dans le public se trouvait Peter Higgs, âgé de 83 ans. La vidéo de Higgs sortant son mouchoir et s'essuyant les yeux est devenue virale.

En 2013, un an après la découverte du boson de Higgs, Peter Higgs, ainsi que François Englert, ont enfin été honorés par un prix Nobel de physique. Le jour de l'annonce du prix Nobel, Higgs, qui ne possède pas de téléphone portable et n'a pas d'adresse e-mail.Il s'est rendu au magasin et ce n'est que lorsqu'il a croisé l'un de ses voisins qu'il a appris qu'il avait gagné le prix.

Qu'est-ce que le champ de Higgs ?

Le champ de Higgs diffère des autres champs, tels que les champs électromagnétiques ou gravitationnels, en ce qu'il est immuable. L'intensité d'un champ électromagnétique croît et décroît en fonction de la distance. L'intensité d'un champ gravitationnel est également déterminée par la distance : si vous vous tenez à côté d'un trou noir, vous ressentirez un champ gravitationnel beaucoup plus fort que si vous vous trouviez sur Terre.

En revanche, le champ de Higgs semble être le même quel que soit l'endroit où vous vous trouvez dans l'univers, et il semble être un composant fondamental du tissu de l'espace-temps. La propriété de "masse" est une manifestation de l'énergie potentielle transférée aux particules élémentaires lorsqu'elles interagissent avec le champ de Higgs, qui contient cette masse sous forme d'énergie.

boson de higgs big bang
Une image conceptuelle du Big Bang. Source : gremlin/iStock

Le spin est le moment angulaire intrinsèque d'une particule élémentaire. Dans la théorie quantique des champs, le spin d'une particule est lié à son comportement. Par exemple, les bosons ont un spin entier (0, 1, 2, etc.), et peuvent donc occuper le même état quantique au même moment. En revanche, les particules ayant un spin demi-entier (1/2, 3/2, etc.) ne le peuvent pas. Dans le modèle standard, les composants de la matière (électron, quarks, etc.) sont des particules à spin demi-entier, tandis que les particules qui transmettent la force (photon, W/Z, gluon) sont des particules à spin entier.

Le champ de Higgs est le seul champ scalaire, ou de spin 0. Le champ de Higgs confère des masses importantes aux bosons de jauge W et Z. Leurs masses influent sur la distance à laquelle les bosons de jauge W et Z peuvent se déplacer. Leurs masses affectent la distance que les bosons W et Z peuvent parcourir, confirmant ainsi la portée extrêmement courte de la force faible.

Le boson de Higgs est un boson scalaire massif, sans spin, sans charge électrique et sans charge de couleur. Comme prévu, il a une masse importante de 125 GeV et une durée de vie moyenne prévue de 1,56×10-22 secondes. Le boson de Higgs a été observé se désintégrant en une paire de quarks inférieurs-anti-inférieurs, deux bosons W, une paire tau-antitau, deux bosons Z et deux photons. Il est également prévu qu'il se désintègre en deux gluons, une paire muon-antimuon, et peut-être d'autres particules.

Alors que le champ de Higgs génère les masses des leptons - l'électron, le muon et le tau - et les masses des quarks, il ne génère pas de masse pour le photon et le gluon. Et, comme le boson de Higgs est lui-même massif, cela signifie qu'il doit lui-même interagir avec le champ de Higgs.

L'avenir du champ de Higgs

Actuellement, les scientifiques tentent de déterminer si le Le champ de Higgs donne une masse aux trois "saveurs". de neutrinos - les neutrinos d'électron, les neutrinos de muon et les neutrinos de tau. On a longtemps cru que les neutrinos étaient sans masse, mais on sait maintenant que chaque neutrino a sa propre masse distincte.

grand collisionneur de hadrons boson de higgs
Image conceptuelle du futur collisionneur circulaire (FCC). Source : CERN

En outre, les physiciens pensent désormais que 95 % de notre univers n'est pas constitué de matière ordinaire, mais d'énergie et de matière noires. Les scientifiques du CERN tentent de déterminer si l'énergie et la matière noires interagissent avec le champ de Higgs.

Selon le CERNla matière noire a une masse et les physiciens ont suggéré que les particules de matière noire pourraient interagir avec le boson de Higgs, ce dernier se désintégrant en particules de matière noire.

Même si la découverte du boson de Higgs semblait compléter le modèle standard (en fait), les scientifiques n'ont pas cessé de chercher cette particule insaisissable. Depuis 2012, l'une des choses les plus importantes apprises est que la particule de Higgs se décompose.

Et on en apprendra davantage sur cette particule insaisissable au cours du cycle 3 du LHC et surtout lorsque la mise à niveau de la haute luminosité au sera terminée en 2029..

Le LHC pourra ainsi effectuer davantage de collisions, ce qui donnera aux scientifiques plus de chances d'explorer des phénomènes physiques étranges, comme ceux qui ne correspondent pas au modèle standard.

Après la mise à niveau, le CERN pense que l'accélérateur produira 15 millions de ces particules chaque année. C'est une grande différence par rapport à 2017, où le LHC a fabriqué 3 millions de bosons de Higgs. Cela pourrait être la clé pour trouver d'autres types de bosons de Higgs.

Les théories qui vont au-delà du modèle standard de la physique des particules prévoient également qu'il pourrait y avoir jusqu'à cinq types différents de bosons de Higgs, qui pourraient chacun être moins courants que le boson de Higgs principal. Avant même les mises à niveau, les scientifiques nous avaient déjà donné des indices sur un "boson de Higgs magnétique".

Des temps passionnants nous attendent, si vous êtes un physicien des particules.



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