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Boson de Higgs

La masse des particules élémentaires

On a tous lu ou entendu que le 4 juillet 2012 dernier, le CERN a annoncé avoir identifié, avec un degré de confiance de 99,99997 % (5 σ), une nouvelle particule de type boson. Le CERN a effectué deux expériences séparément dans deux détecteurs distincts du LHC (ATLAS et CMS), et les résultats obtenus dans les deux cas indiquent avec une probabilité très forte l’existence du boson de Higgs. Toutefois, il faut rappeler avec prudence que le CERN a aussi indiqué que des études complémentaires seront nécessaires pour déterminer si cette nouvelle particule possède l’ensemble des caractéristiques prévues pour le boson de Higgs.

Le boson de Higgs est une particule élémentaire dont l’existence permet d’expliquer pourquoi certaines particules ont une masse et d’autres n’en ont pas. Mais pour bien comprendre le phénomène, il faut plutôt parler du champs de Higgs qui est le champs qui intéragit avec les particules élémentaires de la matière et et qui leur alloue une masse.

Pour bien comprendre le mécanisme, on utilise souvent comme image, un piste de ski enneigée (champs de Higgs):

  • il y a des skieurs qui glissent bien sur la neige (particules peu massives, voire de masse nulle comme le photon)
  • il y a des randonneurs en raquettes qui arrivent à marcher sans trop de difficutlé sur la neige sans pour autant glisser comme les skieurs (particules moyennement massives)
  • il y a des promeneurs en moon-boots qui s’enfoncent dans la neige jusqu’aux genoux (particules très massives)

Quand on dit que le boson de Higgs donne une masse aux particules élémentaires, ce n’est pas tout à fait exact. Pour être rigoureux, le boson de Higgs n’est qu’une manifestation du champ de Higgs et du mécanisme de Higgs, qui lui donne la masse aux particules élémentaires. Par analogie, on pourrait dire que le champ de Higgs est l’eau de l’océan et les boson de Higgs représentent respectivement l’énergie que transporte chacune des vagues (ondes). S’il n’y a pas de vague, il n’y a pas de bosons de Higgs. Le boson de Higgs se matérialise uniquement lorsqu’une interaction génère une vague sur l’océan, c’est-à-dire par analogie lorsqu’un objet intéragit avec de l’eau (ou une particule avec le champs de Higgs). On a tous fait déjà l’expérience, selon la forme et la taille, il est plus ou moins facile de mettre en mouvement un objet dans l’eau (inertie).

Le mécanisme de Higgs rend donc d’ailleurs abusif le fait de parler de masse de telle ou telle particule, puisque la masse n’est plus une propriété intrinsèque des particules élémentaires, mais une mesure de leurs interactions avec le champ de Higgs.

Simulation de la désintégration d'un boson de Higgs dans le détecteur CMS du LHC

Simulation de la désintégration d’un boson de Higgs dans le détecteur CMS du LHC

Il faut savoir que la complexité des phénomènes intervenant dans la détection de ces bosons, conduit à raisonner en termes de statistiques plutôt qu’en terme d’identification formelle à 100 % du boson. Ainsi pour affirmer une découverte en physique des particules, la probabilité d’erreur doit être inférieure à 0,00006 %, ce qui correspond en formalisme statistique à un écart type de 5 Sigma. Une telle démarche statistique implique donc de provoquer un très grand nombre de collisions lors des expériences pour aboutir à des niveaux de probabilité élevés.

Les mesures ont permis d’indiquer que cette nouvelle particule se situe dans un domaine de masse ou dans une plage énergétique de l’ordre de 125-126 GeV. Pour rappel, on sait depuis la théorie de la relativité d’Einstein que masse et énergie sont équivalentes (E=mc2). Ca veut dire qu’une particule dotée de masse peut se transformer en énergie et vice-versa. C’est pour cette raison qu’on a l’habitude d’exprimer la masse des particules en MeV (ou GeV à plus hautes énergies), qui est une unité d’énergie.

En général, il n’existe pas de bosons de Higgs autour de nous. Il faut effectuer des chocs entre des particules (au LHC on a utilisé des protons) pour exciter le champ de Higgs et fabriquer ainsi des bosons de Higgs. D’ailleurs, ces bosons de Higgs obtenus vont en général se dissiper rapidement…ce qui ne facilite pas les expériences…

Domaines d'exclusion de l'EnergieHiggs

Le mécanisme de Higgs permet d’expliquer comment les particules élémentaires (fermions et bosons) acquièrent de la masse, mais il n’explique pas à lui seul la masse des particules non-élémentaires comme les protons et neutrons….

La masse des particules non-élémentaires

Les protons et neutrons ne sont pas des particules élémentaires, car ils sont eux-même constitués de particules encore plus élémentaires qu’on appelle des quarks (fermions). Ils sont les deux constitués de 3 quarks (proton: 2 quarks up et 1 quark down, neutron: 1 quark up et 2 quarks down). La masse du quark up est estimée à environ 3 MeV, la masse du quark down est estimée elle à environ 6 MeV. Si on somme les masses des 3 quarks du proton, on arrive à une masse d’environ 12 MeV. Hors la masse du proton a été mesurée et elle est de 938 MeV. La masse des quarks constituant du proton, masse due au champs de Higgs, représente en réalité environ 1% de la masse totale du proton!

D’où vient donc le 99% restant de la masse d’un proton? Et bien le 99% de masse restante est due à l’énergie que les 3 quarks acquièrent en interagissant entre eux. C’est dû à l’interaction forte, l’une des 4 (3 si l’on prend en compte l’interaction électrofaible) forces fondamentales de la nature. Cette force est celle qui permet de maintenir la cohésion du noyau de l’atome, c’est-à-dire de maintenir les quarks constitutifs des protons et neutrons ensemble. Les quarks sont fortement liés entre eux par l’interaction forte, ou plus précisément par des gluons. Le gluon est la particule élémentaire (boson) responsable de l’interaction forte. Pour maintenir les quarks fortement liés entre eux et la cohésion du proton, les gluons mettent en jeu une quantité d’énergie de liaison énorme qui se manifeste comme une contribution considérable, à près du 99%, de l’énergie totale et donc de la masse (E=mc2) des protons et neutrons.

Gluon

Comme un électron est environ 2.000 fois plus léger qu’un proton ou un neutron, il en résulte que la masse des atomes est portée très majoritairement par les protons et les neutrons des noyaux. Ce sont donc d’autres bosons que celui de Higgs, les gluons, qui expliquent la masse des objets autour de nous. Le champs de Higgs ne contribue donc qu’à un petit 1% de la masse totale du noyau (protons + neutrons) de l’atome, c’est-à-dire 1% de la masse atomique, et in fine à 1% de la masse des objets qui nous entourent, à 1% de notre propre masse, et 1% de celle de l’Univers.

Conclusion

La découverte du Boson de Higgs ne nous donne pas seulement des indications sur l’origine de la masse des objets de l’Univers, mais elle confirme ce qui constitue ni plus ni moins l’une des clefs de voûte du modèle standard de la physique des particules (elle vérifie en quelques sortes l’existence d’une des pièces manquante au modèle), tout en permettant ainsi d’orienter la recherche au-delà du propre modèle standard et ouvrir des portes vers une nouvelle physique:

Les particules élémentaire de la matière (bosons, fermions) acquièrent une masse par interaction avec le champ de Higgs, mais pourquoi chaque particule acquiert-elle une masse différente, voire n’acquiert-elle pas de masse du tout comme dans le cas du photon? Pourquoi la force de l’affinité des particules avec le champ de Higgs – ce qu’on appelle le couplage – est-elle si différente d’une particule à l’autre, et donc comment expliquer cette hiérarchie des masses ? Aujourd’hui, on n’a pas encore toutes les réponses à ces questions…

Par contre, c’est la première fois dans l’histoire de la physique que l’on découvre quelque chose qui n’est ni de la matière (fermion), ni un médiateur d’une force fondamentale (boson standard)…on accèderait ainsi, via le boson de Higgs, à un territoire entièrement nouveau…

Sources:

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

http://www.futura-sciences.com/fr/news/t/physique-1/d/non-le-boson-de-higgs-nexplique-pas-la-masse-du-soleil_39947/#xtor=AL-27-1[ACTU]-39947[non__le_boson_de_higgs_n_explique_pas_la_masse_du_soleil

http://amazings.es/2012/07/15/el-boson-de-higgs-es-responsable-de-una-fraccion-muy-pequena-de-la-masa-del-universo/

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  • Sebastien

    Bonjour!
    Je ne comprends pas le lien entre la masse due à e=mc2, la masse due au champ de Higgs, et la masse/énergie du boson de Higgs. Quelqu’un a une idée?

  • Salut Sébastien, c’est vrai qu’il y a beaucoup de masse et d’énergie dans cette histoire…dans l’ordre:

    1) e= mc2: cette équation exprime que la masse d’une particule élémentaire est directement liée à son énergie. Si la particule est lourde elle renfermera beaucoup d’énergie, et si au contraire elle est légère moins d’énergie…il y a une relation directe d’équivalence entre la masse et l’énergie que possède une particule élémentaire.

    2) Le champs de Higgs attribue une masse (et donc une énergie e=mc2) aux particules élémentaires qui intéragissent avec lui

    3) Le boson de Higgs étant lui même une particule élémentaire, il est caractérisé par une masse et une énergie (e=mc2) dont la valeur est de 125-126 GeV

  • roigada

    Regardez cette superbe BD sur le boson de Higgs ! C’est l’interview d’un physicien au CERN qui a été traduis en BD, Par contre, c’est en anglais.
    http://vimeo.com/41038445

  • excellent…présenter comme ça, le boson de Higgs semble simple et très abordable…belle trouvaille…merci @roigada

  • Thierry Luton

    Si j’ai bien compris, la masse des particules élémentaires leur est conférée par les bosons de Higgs, et celle des particules non-élémentaires par les gluons (+ masse des particules élémentaires les constituant).

    Reste le cas du photon. La question que je me pose alors est : son absence de masse permet-il de le considérer comme une particule ? Et pourquoi pas, je me permets de remettre en question la fameuse dualité onde-particule si ardue à imaginer.

    Pourquoi ne pas envisager que la lumière soit uniquement de nature ondulatoire lors de sa propagation, et que sa nature apparemment particulaire ne soit que l’expression ponctuelle de cette énergie transportée à l’instant où sa vitesse devient nulle ?

    Mon hypothèse est celle-ci : tant que la lumière se propage librement, c’est une onde dont l’énergie est potentiellement partout (fonction d’onde). Si elle rencontre un obstacle (matière non transparente), l’énergie de l’onde se concentre instantanément pour s’exprimer au point de contact sous forme ponctuelle (photon).
    Pour prendre une analogie inverse, imaginons une bulle de savon en expansion, ce qui représenterait assez bien une onde se propageant dans dans un univers en 3 dimensions. Dès l’instant où cette bulle rencontre un obstacle, elle éclate, évidemment. Si on observe finement cet évènement, on s’aperçoit que l’obstacle a provoqué la formation d’un trou qui va presque instantanément se propager à la totalité de l’enveloppe, la matière de celle-ci se regroupant à l’opposé du trou originel pour y constituer une goutte. L’analogie est inverse, car le photon, lui, se concrétiserait au point de contact et non à l’opposé.

    J’ai longuement observé la houle (qui n’est, il est vrai, qu’un ensemble d’ondes mécaniques et non électromagnétiques). J’ai remarqué que lorsqu’une vague approchait de la côte, l’énergie de celle-ci (qui était répartie assez uniformément jusque-là) se concentrait dans les zones où la base de la vague commençait à être freinée par les hauts-fonds, au détriment des zones où elle n’était pas freinée. Le résultat en était que l’énergie de l’onde se concentrait en quelque sorte dans la zone où sa vitesse avait commencé à décroître. Un observateur placé très haut au-dessus de la côte n’aurait observé de déferlement conséquent qu’à certains endroits, le déferlement étant analogue dans mon exemple à la concrétisation de l’énergie de l’onde sous forme de photon. Cet observateur “grossier” aurait pu en déduire la nature “particulaire” de la houle.

    Bon, évidemment, je ne suis qu’un béotien qui aime juste se poser des questions…

  • Salut Thierry, le photon est une particule de type boson, c’est-à-dire qu’elle a pour rôle de véhiculer la force électromagnétique. Elle a effectivement une masse nulle. Il ne faut pas confondre les particules de type boson (vecteur de forces) avec les particules de type fermions, comme l’électron, qui constituent la matière…le sujet n’est pas simple…je te conseille d’écouter le dossier que j’avais fait sur la lumière, pour mieux comprendre la nature ondulatoire/corpusculaire de celle-ci…

    http://www.podcastscience.fm/emission/2011/05/26/podcast-science-38-la-lumiere/

  • Delphine

    Bonjour,

    Avez-vous de nouvelles infos concernant la découverte du boson de Higgs au CERN ?
    Apparemment certaines mesures récentes montrent que la masse de ce boson est étonnement petite par rapport à celle prévue par le modèle standard .

    (http://www.symmetrymagazine.org/article/october-2012/what-else-could-the-higgs-be)

    Que doit-on en conclure, et quand en saurons- nous un peu plus ?
    D’avance merci !

  • Salut Delphine, je n’ai pas entendu de nouvelles rècentes à annoncer sur le sujet…Quant à ton article et la masse du boson de Higgs, j’attenderai les annonces officielles du CERN…les spéculations en tout genre sont des bons arguments de vente, donc prudence, et attendons les communiqués officiels…PS tiendra au courant les auditeurs s’il y a du nouveau…

  • Delphine

    Merci Mathieu !
    Le lien que j’avais mis est en fait donné par le cern sur sa page d’accueil 🙁http://public.web.cern.ch/public/Welcome-fr.html)…. D’où ma curiosité…Aurais-je manqué quelque chose ?;))

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  • Delphine

    Depuis le 4/07/12, suite à l’annonce du CERN et l’engouement médiatique suscité, les physiciens parlaient avec prudence d’une particule de type “Higgs”.

    Les rencontres de Moriond viennent de se terminer… et nous avons bien un boson de “Brout -Englert-Higgs” (parité positive et spin 0 ) !

    Reste à savoir duquel il s’agit : soit celui du modèle standart, soit du plus léger boson scalaire prédit par la théorie de la supersymétrie (qui en prédit plusieurs)….

    Affaire à suivre donc….mais déjà une belle confirmation !!

  • Alan Vonlanthen

    Belle confirmation indeed 🙂 Nous avons mentionné l’info à la fin de la dernière émission (épisode 123), ça méritait effectivement d’être souligné! Merci du commentaire et on attend la suite de l’aventure du boson avec impatience 🙂

  • Delphine

    Oups Je suis en retard alors ;)….
    Je vais écouter votre dernière émission sans faute !

    Et encore merci de l’énergie et du temps que vous consacrez à préparer ces dossiers chaque semaine ! En un mot: Chapeau !

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