En vidéo : la grande aventure du boson de Higgs

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C'est la fin des années 1950. Les accélérateurs de particules ont révélé l'existence d'un zoo très riche de particules élémentaires comme les mésons pipi et les kaons. L'existence du neutrino et de l'antiproton a été confirmée mais les théoriciens sont dans une grande perplexité. On commence à connaître plusieurs dizaines de particules. C'est trop. On ne s'attendait pas à cela pour des particules dites élémentaires qui devraient se compter sur les doigts de la main tout au plus.

Il apparaît aussi que ces particules interagissent avec les mêmes forces nucléaires fortes qui collent protons et neutrons dans les noyaux et qu'elles se désintègrent selon les mêmes lois que celles de la radioactivitéradioactivité bêtabêta. Il y a clairement une quatrième force universelle (après celle électromagnétique, forte et gravitationnelle) dans l'univers appelée : la force nucléaire faibleforce nucléaire faible.

La quête de l'unification de la physique

De même que l'existence de dizaines d'atomesatomes (H, O, C...) était le signe qu'ils n'étaient pas élémentaires, on commence à soupçonner que plusieurs des particules de l'époque ne le sont pas non plus. Ou du moins, qu'il doit exister une théorie expliquant ce large spectrespectre de particules variées avec des massesmasses différentes, à la façon dont on sait que les atomes sont composites ou possèdent différents états d'énergieénergie. Mais il y a plus...

Des couplages entre effets électriques et magnétiques avaient mis James Clerk Maxwell sur la piste de sa théorie du champ électromagnétiquechamp électromagnétique. Ce sont des couplages entre les manifestations de la force nucléaire faible et celles de la force électromagnétique qui inspireront le grand théoricien Julian Schwinger. Il pense qu'il existe une théorie unifiée des forces électromagnétique et nucléaire faible. Il en parle à son étudiant de thèse, Sheldon Glashow, qui travaillera sur le sujet. Glashow proposera une telle théorie au début des années 1960. C'est à ce moment que François Englert, Robert Brout et Peter HiggsPeter Higgs entrent aussi en scène.

François Englert (à gauche), malheureusement sans Robert Brout, a rencontré Peter Higgs pour la première fois au Cern, le 4 juillet 2012. © Maximilien Brice, Laurent Egli/Cern 

Boson de Higgs et supraconductivité

Parallèlement aux travaux des théoriciens qui étudient des théories du type champ de Yang-Mills pour décrire les forces nucléaires, ils s'interrogent sur un mécanisme capable d'expliquer l'origine des masses des particules. Comme l'explique François Englert, dans la vidéo ci-dessus, les travaux sur la supraconductivité sont présents à l'esprit de beaucoup à cette époque. La théorie BCS (Bardeen-Cooper-Schrieffer) avait été découverte en 1957 et Yoichiro NambuYoichiro Nambu avait publié ses travaux.

Or, avec l'effet Meissnereffet Meissner (expulsion des lignes du champ magnétique) qui se manifeste si spectaculairement avec la lévitation magnétique, tout se passe dans les supraconducteurssupraconducteurs comme si un photonphoton acquérait une masse. Supposons, et les lois de la mécanique quantiquemécanique quantique l'imposent presque, que les forces entre particules sont décrites par des équationséquations similaires aux équations de Maxwelléquations de Maxwell, les fameuses équations de Yang-Mills. On peut alors penser que les forces nucléaires à faible portée - car décrites par des particules massives comme le pion de Yukawa - sont au départ des forces véhiculées par des cousins du photon. Ces cousins sont sans masse mais deviennent massifs dans l'hypothèse où l'univers est un peu comme l'intérieur d'un supraconducteur.

Dès 1961, Robert Brout et François Englert réfléchissent à cette idée et c'est en 1964 qu'ils publient, les premiers, un article (qui deviendra célèbre) sur un mécanisme de la théorie quantique des champs, capable de donner une masse aux particules. Peter Higgs a des idées similaires et il publie peu de temps après un article dans lequel, contrairement à ses collègues belges, il parle explicitement d'une nouvelle particule massive associée au champ de ce qui est aujourd'hui appelé le mécanisme de Brout-Englert-Higgs (BEH).

Ce point est bien mis en évidence dans une conférence par le grand théoricien John Ellis qui signale qu'il est aussi absent des travaux similaires publiés en 1964 par Gerald Guralnik, Carl Richard Hagen et Thomas Kibble que l'on considère comme les codécouvreurs du mécanisme de BEH.

Le mécanisme de Brout-Higgs-Englert et la théorie électrofaible

En 1964, peu de personnes comprennent ces résultats et l'article initial de Peter Higgs est même rejeté une première fois par l'expert du journal, auquel il l'avait soumis pour publication.

Toutefois, en 1967, Steven Weinberg et, peu de temps après, Abdus Salam, publient leur théorie unifiée des forces électromagnétique et nucléaire faible. C'est le fameux modèle électrofaible. Cette théorie reprend en partie les travaux de Sheldon GlashowSheldon Glashow mais, surtout, elle utilise de façon essentielle le mécanisme BEH pour doter d'une masse les bosonsbosons intermédiaires W et Z impliqués par la théorie. Sans ce mécanisme, ces bosons seraient sans masse et l'équivalent des photons du champ de Maxwell.

En 1971, Gerard 't Hofft, étudiant sous la houlette de Martinus Veltman, prouve que la théorie du modèle électrofaible, encore appelée modèle de Glashow-Salam-Weinberg (GSW) est, tout comme l'électrodynamique quantiqueélectrodynamique quantique de Feynman-Schwinger-Tomonaga, libre du problème des infinis menaçant en général les théories quantiques relativistes des champs. Là encore, le mécanisme BEH est central pour l'obtention de ce résultat.

Schwinger avait reçu son prix Nobel en 1965, Gerard 't Hofft et Martinus Veltman l'obtiendront en 1999 mais Nambu devra attendre 2008. Toutefois, dès 1973, certaines prédictions du modèle GSW, les courants neutrescourants neutres, sont vérifiées au CernCern. En conséquence de quoi, Glashow, Salam et Weinberg se voient attribuer le prix Nobel de physiquephysique en 1979 sans que les bosons W et Z, les prédictions les plus fondamentales de leur théorie, ne soient encore découverts. Le boson de Higgsboson de Higgs, l'autre pièce maîtresse de la théorie, étant tout aussi inobservé.

Carlo Rubbia se fait fort à l'époque de découvrir ces bosons intermédiaires dans des collisions en accélérateur. Il convainc les dirigeants du Cern et avec ses collègues, dont Simon van der Meer, ils aboutissent à la mise en évidence de ces bosons en 1983. Rubbia et van der Meer décrocheront le prix Nobel en 1984. La vidéo ci-dessus retrace cette découverte et montre plusieurs des grands noms impliqués dans cette aventure de la physique comme Salam, Rubbia et Weinberg.

Il restait une dernière pièce du modèle électrofaible à découvrir, la plus difficile mais, peut-être, la plus riche en potentiel pour aller au-delà des équations de ce qu'on appelle désormais le modèle standardmodèle standard. Il s'agit, bien sûr, du boson de Peter Higgs.

Du boson de Higgs à la cosmologie en passant par Turing et Charpak

Au début des années 1980, on pense en effet que des cousins du boson de Higgs doivent exister à des énergies très hautes et assurer l'unification de la force électrofaible avec la force nucléaire forte dans le cadre des théories de grande unificationthéories de grande unification, les GUT. En bonus, ces GUT fournissent un moyen de résoudre l'énigme de l'antimatière cosmologique. Un ou des champs de Higgs similaires à celui du modèle GSW, pourraient même expliquer bien d'autres mystères de la théorie du Big BangBig Bang en la complétant avec la théorie de l'inflation. Surtout, dans le cadre de ces GUT, le champ de Higgs du modèle standard se révèle instable, d'une certaine façon. Or à l'époque, une autre théorie prend son essor et apparaît comme un très bon moyen de résoudre ce problème. C'est la théorie de la supersymétrie et ses avatarsavatars pour la gravitation quantiquegravitation quantique : la supergravitésupergravité et les supercordes.

Il devient clair que pour progresser, après que l'idée d'unification des forces par des champs de Yang-Millschamps de Yang-Mills s'est trouvée féconde, il faut mettre en évidence le boson de Higgs et vérifier l'existence et les caractéristiques du mécanisme de BEH.

Pour cela, il faut une toute nouvelle génération de collisionneur de particules et de détecteur géant. On étudie donc le futur LHC (Large Hadron ColliderLarge Hadron Collider), dès les années 1980. Tout comme pour le découverte des bosons W et Z, cette entreprise a été rendue possible grâce aux ordinateursordinateurs et donc par l'un des pères de l'informatique auquel on rend hommage cette année : Alan Turing.

Mais dans cette grande aventure du boson de Higgs, qui se poursuit aujourd'hui sous nos yeuxyeux, rien n'aurait été possible en 1983, et ne serait possible aujourd'hui, sans le détecteur couplé à un ordinateur mis au point par Georges Charpak et dont les descendants traquent les secrets de la matièrematière et des forces.