LE BOSON DE HIGGS par M RIO André

LE BOSON DE HIGGS

M André RIO
M André RIO

 

La matière est elle divisible à l’infini ou formée de particules ?

L’idée d’atomes proposée par Démocrite, Epicure et Lucrèce a été combattue par Aristote, Platon et plus tard par Spinoza. Aucun ne disposait de données indiscutables, ce n’était que de la spéculation. Il a fallu attendre la fin du XVIIIème siècle avec Lavoisier pour identifier les véritables éléments et supposer avec Dalton qu’ils sont constitués d’atomes. ce qui explique qu’ils ne s’unissent entre eux que dans des proportions définies. Si pour les uns c’était la preuve de l’existence des atomes, d’autres s’en tenaient à la notion d’équivalents. Les deux écoles se sont opposées pendant tout le XIXème siècle, et c’est seulement au début du vingtième que la réalité des atomes s’est imposée.                       

   La physique quantique, née avec Planck et le rayonnement du corps noir, l’effet photoélectrique interprété par Einstein, ont établi que la lumière est formée de particules, les photons. La théorie du mouvement brownien établie aussi par Einstein et sa réalisation concrète effectuée par Perrin, ainsi que quelques autres expérimentations ont permis de déterminer la masse des atomes et la charge de l’électron. On s’est aperçu bientôt que les atomes sont principalement constitués de vide, d’un noyau compact minuscule et très dense et d’un nuage d’électrons. Le noyau lui même est formé de protons et de neutrons, puis on découvre toute une série d’autres particules, certaines inattendues, d’autres prévues ; c’est le cas du boson de Higgs.

         Pourquoi a-t-on recherché le boson de Higgs ? Il a été imaginé il y a une quarantaine d’années pour expliquer la masse des particules élémentaires en créant un champ analogue aux champs électrique ou magnétique, interagissant avec les particules selon leur masse.

La quête de ce boson (H) a été longue, car sa propre masse devait être élevée et exigeait une source d’énergie très importante produite par un collisionneur de particules. Le LEP du CERN (Centre européen de recherche nucléaire), qui utilisait des collisions électron positon, et le Tévatron du Fermilabo à Chicago, se sont révélés insuffisants, mais ont permis une estimation de sa masse. C’est le LHC (Large hadrons collider) qui y est récemment parvenu.

C’est un anneau de 27 km de circonférence à 100 m sous terre qui a atteint une énergie de 8 TeV (téra électron volts) et qui pourra être porté en 2014 à 15 TeV, qui y est parvenu en utilisant la collision de protons. La durée de vie du boson est excessivement brève, et il ne peut être détecté que par ses produits de décomposition, soit deux photons soit deux Z0 qui se décomposent à leur tour en deux électrons ou deux muons. Deux détecteurs ont été utilisés : le CMS (solénoïde compact à muons) et Atlas (appareil toroïdal pour le LHC) . Ils ont mobilisé 3000 personnes et ont donné des résultats concordants pour la masse du boson, soit 125,3  pour CMS et 126,5 Gev pour Atlas.

 

Le boson de Higgs et les particules élémentaires du modèle standard.

                            Les particules constituant la matière :

                                           Leptons                                   Quarks

électron e    neutrino électronique ne                    up u        down d

muon m       neutrino muonique nm               strange s  charm c

tau t                neutrino tauique nt                                top t        bottom b

Les particules des interactions :

Interaction électromagnétique             photon        g

Interaction forte                                 8 gluons      g

Interaction faible                                3 bosons     ww  z0

Gravité                                              graviton (hypothétique)

A toutes ces particules il faut ajouter leurs antiparticules  comme le positon ou électron positif. La théorie de la supersymétrie en prévoit encore toute une série dont aucune n’a encore été détectée.

Si le boson de Higgs explique la masse des particules, cette masse a trois aspects : la masse inerte qui intervient dans l’énergie cinétique

E = ½ m v2

La masse gravifique de l’attraction universelle

   F = G M m / d2

                               et la masse forme d’énergie selon la Relativité

E = m c2

  Exemples de masses      

 proton        0,938 GeV

neutron       0,940   GeV

électron      0,511   KeV

boson W    80        GeV

boson Z     91       GeV

1 eV = 1,78.10-33 gramme = 1,6. 10-19 joule.

Une particule est caractérisée par son spin, une propriété quantique qui s’interprète comme une rotation. On distingue les fermions, comme les leptons et les quarks qui ont un spin fractionnaire (s= ½ ), et les bosons, dont le photon et les bosons w et z qui ont un spin entier (s = 1). On ne connaît pas avec certitude le spin du boson de Higgs qui pourrait être 0 ou 2. Pour ce dernier bien des questions se posent encore. Y en a t-il un seul ou cinq ? A t-il un rapport avec la théorie de la super symétrie ? avec l’antimatière, la matière noire, l’énergie du vide ? Est- il vraiment élémentaire ou composite ? Apparenté avec les autres particules ?

Un nouveau projet apportera-t-il de nouvelles informations ? Il s’agit d’un collisionneur linéaire e+e- long de 31 km, d’une énergie de 0,5 à 1 TeV, inférieure à celle du LHC, mais plus facile à interpréter parce qu’il ne fait intervenir que des électrons.

 

Références: La Recherche, novembre 2008, p. 30. Si le boson de Higgs n’existait pas.septembre 2012, p. 8. Le boson de Higgs enfin dévoilé.Pour la science, septembre 2012. P. 22. La saga du boson de Higgs.

  1. 30. Le boson de Higgs, et après ?