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La particule, dont l'observation est attendue depuis des dizaines d'années, viendrait corriger une faille majeure découverte dans le «modèle standard» de la physique.
À quoi peut bien servir le boson de Higgs? Afin de mieux comprendre le rôle clé de cette particule, lefigaro.fr vous propose une plongée dans la physique de l'infiniment petit. Pour décrire le monde qui nous entoure, les physiciens l'ont en effet décomposé en petites briques: les fameuses particules élémentaires. On en distingue deux types: les particules de matière, les fermions, et les particules d'interaction, ou de force, appelées bosons.
Les fermions forment la matière telle que nous la connaissons, c'est-à-dire composée d'atomes. Les protons et les neutrons, qui forment les noyaux atomiques, sont pour commencer composés de particules encore plus petites: les quarks. Lorsqu'on ajoute des électrons, un 3e type de fermion, autour de ces noyaux, on obtient des atomes. Une quatrième particule, le neutrino, reste solitaire. Comme ils interagissent très peu avec les atomes, ces neutrinos nous sont moins familiers. Pourtant, ils sont partout. À tout instant, ils nous traversent par milliards sans que nous nous en apercevions.
Passons maintenant aux bosons. Ils sont les vecteurs de trois des quatre principales forces qui existent dans la nature. Le plus connu est à n'en pas douter le photon, qui «porte» l'interaction électromagnétique. C'est grâce à lui que des éléments de matière de même charge (positive ou négative) se repoussent et que des éléments de charge différente s'attirent. Toute la chimie et tous les phénomènes électromagnétiques, à commencer par la lumière, résultent donc de l'action de ce médiateur sans masse.
On trouve ensuite les gluons, qui sont les vecteurs de l'interaction dite «forte». Il en existe plusieurs sortes, mais tous agissent comme une colle entre les quarks et entre les nucléons. Ce sont donc les garants de la cohésion des noyaux atomiques. Trois bosons, dits «intermédiaires», sont enfin responsables de l'interaction dite «faible». Ces derniers peuvent au contraire provoquer la désintégration spontanée de certains noyaux atomiques. À ce titre, ce sont eux qui sont à l'origine des réactions thermonucléaires qui font «brûler» les étoiles.
Les trois forces unifiées dans le «modèle standard»
Au cours du XXe siècle, les physiciens sont parvenus à réunir ces interactions électromagnétiques, faible et forte dans une même théorie, qu'ils ont baptisée «modèle standard de la physique». D'après les équations de ce modèle, ces trois forces n'en formaient qu'une aux premiers instants de l'Univers: la force électronucléaire. La beauté de cette formulation était une grande victoire pour les physiciens, qui cherchaient depuis longtemps à réaliser cette unification.
Mais l'édifice théorique présentait une faille majeure. Il fallait à tout prix que la masse des particules, et plus particulièrement des bosons, soit nulle pour respecter le formalisme mathématique sous-jacent. Or ce n'est pas le cas: les bosons intermédiaires, pour ne citer qu'eux, ont bel et bien une masse. Et celle-ci est importante: plusieurs centaines de fois celle du proton. Deux possibilités s'offraient alors aux théoriciens: jeter la théorie à la poubelle ou bien considérer que l'on n'avait pas bien compris jusqu'à présent ce que représentait la masse.
Au début des années 1960, trois chercheurs ont choisi cette deuxième voie et ont postulé, presque simultanément, l'existence d'un nouveau boson permettant de définir la masse autrement que comme une propriété intrinsèque. Baptisé «scalaire», puis «Higgs», du nom de l'un de ses trois pères, cette particule serait présente partout dans l'Univers et formerait un champ uniforme. Dans lequel baigneraient les autres particules.
L'analogie du cocktail mondain
Le théoricien David Miller utilise la métaphore du cocktail pour expliquer en quoi ces bosons seraient à l'origine de la notion de masse. Une particule très pesante serait l'équivalent d'une rock star arrivant dans une soirée. Toutes les personnes présentes dans la pièce -les bosons de Higgs- se jetteraient sur elle et la gêneraient dans ses déplacements. Dans cette analogie, c'est l'apparente inertie de la vedette que nous appelons «masse». Telles des souris pouvant se déplacer dans la pièce bondée comme si de rien n'était, les particules dénuées de masse sont, elles, invisibles aux yeux des bosons de Higgs.
Dans cette conception des choses, la masse n'est plus une donnée intrinsèque, mais la conséquence d'une interaction. Pour des raisons mathématiques complexes, cela supprime du même coup le paradoxe de la masse des bosons: le «modèle standard» est sauvé. Ne reste plus qu'à introduire la quatrième force fondamentale, la gravité, dans cette cathédrale conceptuelle. Existe-t-il un boson qui transporte cette force et qu'on appellerait le «graviton» ou faut-il recourir à des théories plus exotiques pour réussir à unifier le «modèle standard» et la théorie de la relativité générale? Si l'existence du boson de Higgs est enfin tranchée, cette question-là, elle, fait encore débat.
