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SCIENTIF’HIC – Le champ de Higgs, approcher le mystère…

Par Elèves des SERIES SCIENTIFIQUES | Publié le 30/05/2018 à 15:00 | Mis à jour le 30/05/2018 à 15:02
Boson de Higgs

Il peut paraître étonnant que parmi les 17 particules subatomiques connues, 3 sont à elles seules capables de former toute la matière telle qu’on la connaît. Cela permet de montrer à quel point la composition de notre univers reste un mystère, une énigme que l’homme n'a de cesse à chercher à résoudre. Une de ces particules, sujet de cet article, est nommée le Boson de Higgs.

 

Non, ce n’est pas une nouvelle planète de La Guerre des étoiles ! C’est l’objet qui permet d’expliquer une des questions fondamentales de la physique particulière : qu'est-ce que la masse d'un objet, et de quelle propriété de l'univers cette grandeur, qui nous est pourtant si familière, provient ?      

 

Un peu d’histoire : Descartes, Newton, Higgs

 

Dans les années 1960, le scientifique Peter Higgs se confronte à un problème physique jusqu’alors irrésolu. À partir du modèle standard, toutes les particules subatomiques connues avaient été classées en fonction de leur spin. Mais une contradiction demeurait : certaines particules, pourtant classées selon le même spin, avaient des masses très différentes.

 

higgsPrécisons que le spin, ou moment angulaire, est une caractéristique qui représente la rotation d’une particule sur elle-même, définie grâce aux travaux de René Descartes et Isaac Newton. Cette rotation permettait de classer les molécules selon le modèle suivant : celles ayant un spin de (n+1)/2 (avec n appartenant aux entiers), classifiées en  ½ spin, et celles avec un spin de n, classifiées en 1 spin.

 

Peter Higgs a donc conjecturé que la masse d’une particule n’était pas une caractéristique innée mais plutôt donnée par une interaction avec autre chose : c’est le point de départ du théorème de Higgs.

 

Un théorème ambitieux, une superbe intuition

 

Selon ce théorème, il existerait un champ, comme le champ électromagnétique ou le champ gravitationnel, partout dans l’Univers et qui serait composé d’une particule qu’il nomme le Boson de Higgs, appartenant aux catégories des Bosons dans le modèle standard.

 

La masse d’une particule ne dépendrait donc pas de sa taille, ou de son spin, mais plutôt de son interaction avec le champ de Higgs. Imaginons ce champ comme de l’eau, dans laquelle se déplacent de nombreuses espèces. Une espèce comme le barracuda, qui est très hydrodynamique, ne sera pas affecté par les frottements avec l’eau et donc subira peu d’interactions avec l’eau. Mais une baleine qui est très grande, aura une interaction beaucoup plus importante avec l’eau, et sera donc très lente. Dans le cas du champ de Higgs, le barracuda représenterait une particule comme l’électron, qui a une masse très faible et ses déplace très vite, alors que la baleine serait comme un top quark, interagissant beaucoup avec le champ et donc ayant une masse très importante.

 

Pourtant, lors de la conception de ce théorème par Peter Higgs, il n’y avait aucune preuve scientifique pour appuyer cette théorie. Et durant toute la fin du 20ème siècle et le début du 21ème siècle, les scientifiques n’ont cessé de rechercher et de tenter de démontrer l’existence du Boson de Higgs, qu’ils ont même nommé « la particule de Dieu ».

 

Preuves à l’appui

 

higgsCe n’est qu’en 2012 que des scientifiques travaillant au LHC ont détecté cette particule pour la première fois...

 

Ces images ressemblent plutôt à un portail dimensionnel tiré de la science-fiction, ou même à une machine à remonter le temps. En réalité, il s’agit du LHC, ou Large Hadron Collider. Le LHC est le plus grand accélérateur de particules dans le monde : il est constitué d’un énorme anneau d’aimants super conducteurs, localisé à une profondeur de 50 à 175 mètres sous le sol français et suisse, avec un périmètre de 27 kilomètres ! Il permet d’apporter de l’énergie à des particules pour les « accélérer ». Ces particules suivent le trajet de l’anneau jusqu’à leur collision qui détruit les particules et en produit d’autres.

 

Le 12 Juillet 2012, les scientifiques travaillant au LHC ont découvert une nouvelle particule avec une masse de 126 GeV (unité d'énergie, mais comme depuis Einstein et sa célèbre formule E = mc2, une masse est assimilable à une énergie, les masses des particules subatomiques sont définies par leurs énergies propres), correspondant au Boson de Higgs, tel que défini en 1962 pour compléter le modèle standard.

 

Pour leurs contributions à la découverte de cette particule et du champ de Higgs, Peter Higgs et François Englert (le seul membre de son équipe qui restait en vie) ont reçu en 2012 le prix Nobel de Physique.

 

La masse des particules subatomiques étant maintenant connues et expliquées, et le modèle standard ainsi complété, les scientifiques peuvent poursuivre leur quête vers ce qui réunira l'infiniment grand et l'infiniment petit : la gravitation quantique !

 

Yann May – Terminale S – LFM

 

Sources

 

https://fr.wikipedia.org/wiki/Boson_de_Higgs

https://home.cern/fr/topics/higgs-boson

https://www.youtube.com/watch?v=tCX89czVaHc

https://home.cern/fr/topics/large-hadron-collider

http://voyage.in2p3.fr/standard.html

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