Découverte d’une nouvelle particule : avec un peu de chance, c’est le boson de Higgs

Le trajet long et compliqué vers la découverte du boson de Higgs, entrepris il y a environ vingt-cinq ans, pourrait avoir finalement atteint son but. Telle est l’annonce faite aujourd’hui par les chercheurs de l’accélérateur de particules LHC (initiales de Large Hadron Collider en anglais, et en français : Grand collisionneur de hadrons) au Laboratoire européen pour la physique des particules du CERN, près de Genève.

Le boson de Higgs est le dernier élément manquant du « modèle standard » qui décrit la structure de la matière dans l’univers. Le boson de Higgs combine deux forces de la nature et montre qu’elles sont en fait différents aspects d’une force plus fondamentale. La particule est aussi responsable de l’existence de la masse dans les particules élémentaires.

Plusieurs chercheurs de l’Institut Weizmann ont été parmi les participants de premier plan de ces travaux dès leurs débuts. Le professeur Giora Mikenberg a été pendant de nombreuses années à la tête du groupe qui a mené la recherche sur le boson de Higgs dans l’expérience OPAL du CERN. Il a aussi été le dirigeant du programme Muon d’ATLAS, l’une des deux expériences qui ont en fin de compte révélé l’existence de la particule. Le professeur Ehud Duchovni est à la tête de l’équipe de l’Institut Weizmann qui étudie d’autres questions très importantes au CERN. Le professeur Eilam Gross est actuellement le président du groupe de physique Higgs d’ATLAS. Il est intéressant de voir que dans l’équipe de l’Institut Weizmann trois « générations » scientifiques sont représentées : Mikenberg a été le patron de Duchovni, qui à son tour a été le patron de Gross.

Le professeur Gross nous dit : « C’est le plus grand jour de ma vie. Je cherche le boson de Higgs depuis l’époque de mes études, dans les années quatre-vingt, et j’avoue que même après 25 ans de recherches, cela m’a pris par surprise. Quel que soit le nom qu’on lui donne, nous ne cherchons plus le boson de Higgs, mais nous mesurons ses propriétés. J’étais sûr qu’on le trouverait, mais je n’imaginais pas que ce serait pendant que j’occupe un poste important dans le groupe mondial de recherche. »

Alors que la plupart des gens ont l’impression que le monde est un endroit complexe et diversifié, les physiciens ne se contentent pas de la réalité visible : ils veulent arriver au fond de cette réalité pour découvrir si elle est, comme ils le pensent, fondée sur la simplicité absolue que laisse apparaître l’univers initial. Ils espèrent observer une série de particules qui forment en fait différents « ensembles » d’un groupe de particules élémentaires. Les scientifiques ont l’espoir de voir l’unification des quatre forces fondamentales de la nature qui agissent sur ces particules (ces forces sont : l’interaction faible – responsable de la radioactivité, l’électromagnétisme, l’interaction forte – responsable de l’existence des protons et des neutrons, et la gravitation).

Le premier pas de ce trajet vers l’unification des forces a été réalisé avec la découverte presque certaine de la particule de Higgs : c‘est l’union de deux forces élémentaires –l’électromagnétisme et l’interaction faible, qui deviennent l’interaction électrofaible.

Un aspect du boson de Higgs, qui porte le nom du physicien écossais Peter Higgs, est qu’il donne une masse aux porteurs de l’interaction faible, les particules W et Z (le porteur de la force électromagnétique reste sans masse).

La plus grande machine du monde

Dans leur tentative de découvrir le boson de Higgs, d’unifier les forces fondamentales et de comprendre l’origine de la masse dans l’univers, les scientifiques ont construit la machine la plus grande du monde : un accélérateur de particules construit dans un tunnel circulaire de 27 kilomètres de long, à une profondeur de 100 mètres sous la frontière franco-suisse, dans le laboratoire européen de physique des particules (CERN), près de Genève.

Cet accélérateur, le LHC (initiales de Large Hadron Collider = Grand collisionneur de hadrons) accélère des faisceaux de protons jusqu’à 99,999998 % de la vitesse de la lumière. Selon la théorie de la relativité, ceci fait que leur masse devient 7500 fois supérieure à celle de leur masse normale au repos. L’accélérateur dirige les faisceaux directement l’un vers l’autre, provoquant des collisions qui libèrent une si grande énergie que les protons explosent. En un clin d’œil, des conditions semblables à celles qui existaient dans l’univers lors de la première fraction de seconde après le Big Bang sont présentes dans l’accélérateur.

Il s’ensuit que des particules de matière se transforment en énergie, conformément à la fameuse équation d’Albert Einstein qui décrit la conversion de la matière en énergie : E=mc2. L’énergie se propage ensuite dans l’espace et le système se refroidit (il s’est passé un événement semblable lors de l’évolution initiale de l’univers). Il s’ensuit que l’énergie forme à nouveau des particules de matière et le phénomène se répète jusqu’à la formation des particules qui peuvent exister dans la réalité comme nous la connaissons.

Les collisions forment des particules énergétiques, dont certaines n’existent que pendant une période de temps extrêmement courte. Le seul moyen de percevoir leur existence est d’identifier les traces qu’elles laissent. Dans ce but, une série de détecteurs de particules ont été développés, chacun destiné à capturer des types particuliers de particules.

Extrait d’un communiqué de presse de l’Institut Weizmann (Rehovot)