Les scientifiques ont annoncé il y a dix ans Découverte du boson de Higgs, ce qui aide à expliquer pourquoi les particules élémentaires (les plus petits éléments constitutifs de la nature) ont une masse. Pour les physiciens des particules, c’est la fin d’un long et très difficile voyage de plusieurs décennies – et sans doute le résultat le plus important de l’histoire du domaine. Mais la fin a également marqué le début d’une nouvelle ère de physique expérimentale.
Au cours de la dernière décennie, les mesures des propriétés du boson de Higgs ont confirmé les prédictions de Modèle standard de physique des particules (Notre meilleure théorie des particules). Mais cela soulève également des questions sur les limites de ce modèle, comme s’il existe une théorie plus fondamentale de la nature.
physique Pierre Higgs Le boson de Higgs a été prédit dans une série d’articles entre 1964 et 1966, comme une conséquence inévitable du mécanisme responsable de donner à la particule sa masse au sol. Cette théorie stipule que la masse d’une particule est le résultat de l’interaction de particules élémentaires avec un champ appelé champ de Higgs.
Selon le même modèle, ce champ doit également donner naissance à la particule de Higgs – ce qui signifie que si le boson de Higgs n’existait pas, il finirait par falsifier toute la théorie.
Mais il est vite devenu évident que la détection de ces particules serait difficile. Lorsque trois physiciens théoriciens calculent les propriétés du boson de Higgs, Terminer par des excuses: “Nous nous excusons auprès des experts expérimentaux de ne pas connaître la masse du boson de Higgs… et d’être incertains quant à son incorporation avec d’autres particules… pour cette raison, nous ne voulons pas encourager une recherche expérimentale massive du boss de Higgs.”
Trouver le boson de Higgs
La première expérience a profité de la grande opportunité pour trouver le boson de Higgs jusqu’en 1989 pour commencer les recherches. L’idée est de détruire les particules avec une énergie si élevée que des particules de Higgs peuvent être créées dans un tunnel de 27 km de long au CERN à Genève, en Suisse – la plus grande collision électron-positon (le positon est presque identique à l’électron mais a la charge opposée) collision jamais fait. Elle a duré 11 ans, mais il s’est avéré que l’énergie maximale n’était que de 5 % inférieure pour produire le boson de Higgs.
Pendant ce temps, le poing américain le plus ambitieux de l’histoire, et Tévatron, ont récupéré des données au Fermilab, près de Chicago. Le tévatron entre en collision avec des protons (qui constituent le noyau d’un atome avec les neutrons) et des antiprotons (presque identiques aux protons mais avec la charge opposée) à des énergies cinq fois supérieures à celles obtenues à Genève – suffisamment, bien sûr, pour rendre le Higg. Mais les collisions de protons et d’antiprotons produisent beaucoup de débris, ce qui rend plus difficile l’extraction de signaux à partir des données. En 2011, les opérations du Tevatron ont cessé – le boson de Higgs avait de nouveau échappé à la détection.
En 2010, Grand collisionneur de hadrons Il a commencé à entrer en collision avec des protons avec sept fois l’énergie du Tevatron. Enfin, le 4 juillet 2012, deux expériences indépendantes au CERN ont recueilli suffisamment de données pour annoncer la découverte du boson de Higgs. L’année suivante, Higgs et son collaborateur François Englert a remporté le prix Nobel “Pour les découvertes théoriques des mécanismes qui contribuent à notre compréhension de l’origine de la masse des particules subatomiques.”
C’est presque vendre à découvert. Sans le boson de Higgs, tout le cadre théorique qui explique la physique des particules à sa plus petite échelle serait détruit. Les particules élémentaires n’auraient pas de masse, et il n’y aurait pas d’atomes, pas d’humains, pas de système solaire, pas de structure dans l’univers.
Problème à l’horizon
Cependant, cette découverte a soulevé de nouvelles questions fondamentales. Les expériences se poursuivent au CERN sur le boson de Higgs. Ses propriétés déterminent non seulement la masse des particules élémentaires, mais aussi leur stabilité. Dans l’état actuel des choses, les résultats montrent que notre univers est hors de portée État vraiment stable.
Ou, comme la glace à son point de fusion, l’univers pourrait subitement subir des “transitions de phase” rapides. Mais au lieu de passer du solide au liquide, comme la glace à l’eau, cela impliquerait un changement important de masse – et les lois de la nature dans l’univers.
Le fait que l’univers reste visiblement stable suggère que quelque chose pourrait manquer dans les calculs – quelque chose que nous n’avons pas encore découvert.
Après trois ans d’interruptions de maintenance et de mise à niveau, les collisions au Grand collisionneur de hadrons se poursuivront avec une énergie sans précédent, près du double de l’énergie utilisée pour trouver le boson de Higgs. Cela pourrait aider à trouver les particules manquantes qui éloignent notre univers du tranchant entre les transitions de stabilité et de vitesse.
L’expérience peut également aider à répondre à d’autres questions. Se pourrait-il que les propriétés uniques du boson de Higgs en aient fait une passerelle vers la découverte de la matière noire, la matière invisible qui constitue l’essentiel de la matière dans l’univers ? La matière noire n’est pas chargée. Et le boson de Higgs Il a une façon unique d’interagir Avec des matériaux non chargés.
Les mêmes propriétés uniques amènent les physiciens à se demander si le boson de Higgs n’est pas une particule fondamentale. Pourrait-il y avoir une nouvelle force inconnue qui surpasse les autres forces de la nature – la gravité, l’électromagnétisme, les forces nucléaires faibles et fortes ? Serait-ce la force qui lie des particules jusqu’alors inconnues au corps composé que nous appelons le boson de Higgs ?
Une telle théorie peut aider à résoudre les conflits Derniers résultats de mesure Ce qui indique que certaines particules ne se comportent pas comme le suggère le modèle standard. Il est donc essentiel d’étudier le boson de Higgs pour voir s’il existe une physique en dehors du modèle standard.
déterminant
En fin de compte, le Large Hadron Collider aura le même problème que le Tevatron. Les collisions de protons sont chaotiques et l’énergie des collisions n’ira que très loin. Bien que nous ayons à notre disposition un arsenal complet de physique des particules modernes – y compris des détecteurs de pointe, des méthodes de détection avancées et l’apprentissage automatique -, il y a des limites à ce que le Large Hadron Collider peut réaliser.
Les futures collisions à haute énergie, spécifiquement conçues pour produire le boson de Higgs, nous permettront de mesurer avec précision ses propriétés les plus importantes, y compris la façon dont le boson de Higgs interagit avec d’autres bosons de Higgs. Ceci, à son tour, déterminera comment le boson de Higgs interagit avec son propre champ. L’étude de ces interactions peut donc nous aider à étudier les processus fondamentaux qui donnent de la masse aux particules. Tout désaccord entre les prédictions théoriques et les mesures futures Ce sera un signe très clair Nous devons découvrir une toute nouvelle physique.
Ces mesures auront un impact profond bien au-delà de la physique des collisionneurs, orientant ou limitant notre compréhension de l’origine de la matière noire, de la naissance de notre univers – et peut-être de son destin éventuel.
Martin Puissance Professeur de physique à l’Université de Durham. Stephen Jones Professeur adjoint de physique à l’Université de Durham.
Cet article est paru pour la première fois sur Conversation.
