Mort de Peter Higgs : le boson de Higgs, un jour de gloire suivi de dix années de mystères

Le physicien britannique Peter Higgs est mort à l'âge de 94 ans, a annoncé le 9 avril 2024 l'Université d'Edimbourg (Ecosse). Il avait reçu le prix Nobel en 2013 pour ses travaux sur le boson qui porte son nom. Un an plus tôt, cette insaisissable particule, prédite depuis 1964, avait enfin été observée. Ce boson serait indispensable pour donner leur masse aux particules composant la matière. Mais une décennie plus tard, force est de constater que sa découverte n'a pas permis de percer tous les mystères du modèle standard de la physique.

"Je crois que nous l'avons". Le directeur général du Cern, à Genève, Rolf-Dieter Heuer, officialise ainsi le 4 juillet 2012 la nouvelle qui bruissait depuis des mois. Le fameux boson de Higgs, "la particule de Dieu " comme l'avait surnommée avec emphase le prix Nobel de physique américain Leon Lederman, a finalement été piégé par deux détecteurs du LHC, Atlas et CMS.

"Participer à sa découverte a été un moment de joie intense"

Dans l'amphithéâtre comble, les regards se tournent vers un homme de 83 ans en chemise blanche qui essuie ses lunettes embuées de larmes. Il s'agit du physicien britannique Peter Higgs (décédé en 2024). Avec ses collègues l'Américain Robert Brout (décédé en 2011) et le Belge François Englert, il avait imaginé l'existence de cette particule… en 1964 ! Elle était, selon eux, indispensable pour donner leur masse aux particules composant la matière (lire l'encadré ci-dessous).

Pour le modèle standard de la physique des particules, qui décrit l'ensemble des particules, c'est un triomphe… Et le début d'un nouveau chapitre. Cédric Delaunay, physicien au Laboratoire d'Annecy-le-Vieux de physique théorique (LAPTh, Haute-Savoie), était alors post-doctorant au Cern. Il se souvient. "Il était impossible d'entrer dans l'amphi, alors j'avais suivi l'annonce en ligne. Ensuite, nous nous sommes retrouvés dans les couloirs pour encaisser le choc. Les sentiments étaient mêlés. Pour les expérimentateurs, c'était la fin d'une quête, un aboutissement. Nous autres théoriciens étions plutôt dans une certaine stupeur. Car les caractéristiques du boson collaient très bien aux prévisions du modèle standard. Trop bien même. Ce qui fait qu'il héritait aussi de tous ses problèmes."

Nicolas Berger, physicien au LAPTh et qui travaillait alors sur l'expérience Atlas, a effectivement vécu l'événement différemment. "Adolescent, je me passionnais déjà pour le boson de Higgs. Alors participer à sa découverte a été un moment de joie intense. Nous savions que les théoriciens espéraient un boson plus exotique, mais cette découverte n'était qu'un début, car nous n'avions finalement que peu d'informations sur ce boson…"

Ce boson "trop sage" n'ouvrait donc pas immédiatement la voie vers une nouvelle physique au-delà du modèle standard. Une nécessité pourtant. Ce modèle est certes assez robuste pour décrire avec précision le comportement des particules élémentaires et leurs interactions. Seulement, elles ne représentent qu'environ 5 % du total de toute la matière et de l'énergie contenues dans l'Univers. Aucune ne correspond à la matière noire (25 %), ni à l'énergie noire responsable de l'accélération de l'expansion de l'Univers (70 %). Le modèle standard n'explique pas non plus la disparition de l'antimatière alors que nous devrions en observer autant que de matière. Dix ans plus tard, force est de constater que la découverte du boson de Higgs n'a pas permis de percer tous les mystères du modèle standard.

Comment le boson de Higgs donne-t-il leur masse aux particules ?

Certaines particules demandent plus d'énergie que d'autres pour être mises en mouvement. Tout comme il est plus difficile de déplacer une armoire normande qu'un guéridon. Cela tient à leur masse bien sûr, dite inertielle. L'ennui, c'est que contrairement au mobilier, les masses des particules ne peuvent s'expliquer par leur taille ou leur composition. Ce sont des particules élémentaires, elles ne sont pas faites de matière, elles la constituent. Et elles sont si petites qu'il n'est pas vraiment pertinent de parler de taille les concernant. Pourtant, le muon par exemple possède les mêmes caractéristiques que l'électron, mais il est environ 207 fois plus massif que lui !
Peter Higgs, François Englert et Roger Brout proposent donc une explication à la masse inertielle des particules élémentaires en imaginant qu'elles baignent dans un champ de Higgs. Tout se passe alors comme si une balle de ping-pong se déplaçait dans du miel. La viscosité du miel s'opposant à son déplacement, la balle paraît plus massive que dans l'air. De la même façon, les particules se déplaçant dans le champ de Higgs interagissent avec lui.
Mais à la différence du miel, la "viscosité" du champ de Higgs varie en fonction de la particule, conférant à chacune une masse propre. Le champ de Higgs freine ainsi bien plus le muon que l'électron. En revanche, il n'a aucune action sur le photon dont on dit alors qu'il n'a pas de masse.

Des superparticules pour prolonger le modèle standard

Pour tenter de répondre à ces questions, les chercheurs ont dû aller encore plus loin en imaginant un prolongement à ce modèle, une physique au-delà de celui-ci. Parmi diverses théories, la supersymétrie envisage l'existence de nouvelles particules, éventuellement de masses très supérieures à celles connues. Ces superparticules seraient porteuses d'une nouvelle physique, avec pourquoi pas des interactions inédites, capables d'éclairer les zones laissées dans l'ombre par le modèle standard.

Seulement, plus une particule est massive et plus elle est difficile à produire dans les détecteurs car il faut concentrer beaucoup d'énergie pour lui donner corps, conséquence du fameux E (énergie) = m (masse) × c² (carré de la vitesse de la lumière). Jusqu'à présent, les collisionneurs n'auraient donc pas eu la capacité de les faire jaillir, ou bien elles seraient passées au travers des détecteurs. Sans doute faut-il les chercher à des masses plus grandes encore, et c'est là que le boson de Higgs commence à poser un problème

Le détecteur CMS installé sur l'anneau du LHC du Cern, à Genève, a permis de mesurer la masse du boson de Higgs avec une précision d'environ 0,1 %. (2021 CERN)

Les difficultés se nichent dans les fluctuations quantiques du vide. Le vide, au niveau de la physique quantique et de l'infiniment petit, ne l'est qu'en moyenne. En réalité, il est sans cesse agité par des particules qui apparaissent et disparaissent, telle une écume à la surface d'une mer déchaînée. Ces particules éphémères interagissent avec les autres plus pérennes et modifient leurs propriétés. "S'il existe des particules lourdes au-delà du modèle standard, elles contribuent forcément à ces fluctuations quantiques du vide, explique Cédric Delaunay. Elles interagissent donc avec le boson de Higgs. Mais dans ce cas, celui-ci devrait subir une importante correction de sa masse en retour. Sinon, ce serait comme si un tsunami ne faisait pas tanguer une barque."

Cette difficulté, résumée sous le terme de problème de hiérarchie, constitue la principale énigme posée par la masse du boson de Higgs. Olcyr Sumensari, physicien théoricien au sein du Laboratoire de physique des deux infinis Irène-Joliot-Curie (IJCLab), à Orsay (Essonne), confirme : "La physique est caractérisée par la séparation d'échelles. Pour expliquer le mouvement d'une voiture, je n'ai pas besoin de la théorie de la relativité. Et d'une manière générale, nous n'avons pas besoin de la physique des hautes énergies pour comprendre la physique de basse énergie. Sauf dans le cas de ce boson de Higgs." Ce problème prend des proportions considérables lorsque l'on songe que la valeur dans le vide du champ de Higgs (qui est au boson ce que l'océan est à la molécule d'eau) est responsable de la masse de toutes les particules connues.

Boson Boson de Higgs Grand collisionneur de hadrons (LHC) Organisation européenne pour la recherche nucléaire (CERN)