Introduction
Le boson de Higgs, souvent surnommé 'particule de Dieu' dans les médias, est la manifestation quantique du champ de Higgs. Ce champ est une composante essentielle du Modèle Standard, le cadre théorique qui décrit les particules fondamentales et leurs interactions (à l'exception de la gravité). L'existence de ce champ explique pourquoi certaines particules ont une masse et d'autres, comme le photon, n'en ont pas. Sans ce mécanisme, les particules se déplaceraient à la vitesse de la lumière et ne pourraient pas former des structures stables comme les atomes, les étoiles ou les planètes.
Description
Le boson de Higgs est une particule scalaire (spin 0) et est sa propre antiparticule. Il est extrêmement instable et se désintègre presque instantanément (en environ 1 zeptoseconde, soit 10^-21 seconde) en d'autres particules plus légères. Sa masse est d'environ 125 gigaelectronvolts (GeV/c²), soit environ 133 fois la masse d'un proton. Sa découverte a été annoncée le 4 juillet 2012 par les collaborations ATLAS et CMS du Grand collisionneur de hadrons (LHC) au CERN, après des décennies de recherche théorique et expérimentale. Le boson n'est pas directement observable ; les scientifiques détectent les produits de sa désintégration, comme des paires de photons, de bosons Z ou de leptons (électrons, muons).
Histoire
L'histoire du boson remonte à 1964, lorsque plusieurs physiciens, dont Peter Higgs, Robert Brout, François Englert, Gerald Guralnik, Carl Hagen et Tom Kibble, ont indépendamment proposé un mécanisme théorique pour expliquer l'origine de la masse des particules. Ce mécanisme de brisure spontanée de symétrie introduisait un nouveau champ quantique (le champ de Higgs) et sa particule associée. Le travail de Higgs a été le premier à mentionner explicitement l'existence d'une nouvelle particule massive. Au fil des décennies, cette prédiction est devenue la pièce manquante du Modèle Standard. La recherche expérimentale a débuté sérieusement dans les années 1980 et 1990 avec les collisionneurs LEP (au CERN) et Tevatron (au Fermilab aux États-Unis), qui ont permis de circonscrire sa masse possible. La construction du LHC, l'accélérateur de particules le plus puissant du monde, a été motivée en grande partie par la quête du boson de Higgs.
Caracteristiques
Le boson de Higgs possède des propriétés uniques. Contrairement aux autres bosons fondamentaux (comme les photons ou les gluons), il a un spin nul et une parité positive. Il interagit avec les autres particules via le couplage de Yukawa, et la force de cette interaction est proportionnelle à la masse de la particule concernée. Ainsi, il interagit plus fortement avec les particules lourdes (comme le quark top) qu'avec les particules légères (comme l'électron). C'est cette interaction qui confère effectivement la masse. Le boson de Higgs est également la première particule élémentaire fondamentale découverte depuis le quark top en 1995, et la première particule scalaire jamais observée.
Importance
La découverte du boson de Higgs est un triomphe pour la physique théorique et expérimentale. Elle valide le Modèle Standard dans son ensemble et confirme le mécanisme de Brout-Englert-Higgs comme étant la source de la masse des particules élémentaires. Cela complète notre compréhension de la structure fondamentale de la matière à l'échelle la plus petite. Cependant, cette découverte ouvre aussi de nouvelles questions. La masse mesurée du boson (125 GeV) place le Modèle Standard dans une zone de 'stabilité métastable' de l'univers, liée à la physique au-delà du Modèle Standard, comme la matière noire ou la supersymétrie. L'étude détaillée de ses propriétés (ses modes de désintégration, ses couplages) est devenue un axe majeur de recherche pour détecter des écarts par rapport aux prédictions, qui pourraient révéler une 'nouvelle physique'. Peter Higgs et François Englert ont reçu le prix Nobel de physique en 2013 pour leur prédiction théorique.
