Faut-il croire au big bang?
Boson de Higgs
Comment les particules obtiennent leur masse










Auréolé de son récent triomphe, le modèle standard de la physique comporte quant même une légère faille. Les messagers W et Z0 de la force faible sont des poids lourds alors que le photon lumineux, lui, arbore une masse nulle. Comment résoudre ce criant paradoxe ? Comment réconcilier les différents médiateurs de l’interaction électrofaible ? La réponse tient à un nouvel et mystérieux agent, le boson de Higgs, qui confère l’inertie aux particules. Il surgira au Grand collisionneur de hadrons, du Cern de Genève, à partir de 2007.

Pour tous les écoliers du monde, la masse est un attribut essentiel de la matière. Mais que recouvre-t-elle exactement ? Une inertie et une énergie. La faculté de résister au mouvement. La sensibilité à la gravité. Les chercheurs mettent ici le doigt sur un problème clef lié à la structure profonde du vide à petite échelle. Selon les vues les plus avancées, la question ne se résoudra qu’au prix de l’apparition d’une nouvelle et mystérieuse particule, le boson de Higgs, attendu au Grand collisionneur de hadrons LHC, du Cern de Genève, à partir de 2007. Si la théorie est exacte, cet agent intermédiaire et le mécanisme lié confèrent leur inertie aux corpuscules élémentaires de la matière.

En 1979, les Américains Steven Weinberg, Sheldon Glashow et le Pakistanais Abdus Salam avaient obtenu le prix Nobel pour leur théorie audacieuse qui réunit les interactions électromagnétique et faible en une seule force, électrofaible. Or, un hic subsistait dans l’édifice : d’un côté, le photon messager s'avère de masse nulle. De l’autre, les bosons W et Z sont lourds. Dès lors, comment concilier les facettes aussi discordantes d’une même pièce ? La réponse tiendrait à l’intervention d’une nouvelle particule : le boson de Higgs dont l’existence a été postulée en 1964 par l’Écossais Peter Higgs. Signe particulier : cet objet peu ordinaire, clef de voûte du modèle standard, serait né un dix-milliardième de seconde (10-10 s) après le big bang. La température atteignait le million de milliard de degrés. Depuis, le boson de Higgs s’attache à "freiner" et "plomber" le déplacement de ses cousines à l’échelle de l’infiniment petit.

"Ce mécanisme de Higgs résulte des propriétés fondamentales du vide et d’une rupture de symétrie dans l’Univers primordial", indique Etienne Augé, directeur adjoint du Laboratoire de l’accélérateur linéaire d’Orsay, à l'Université Paris Sud. "Il expliquerait à la fois la masse des W et Z ainsi que celles du quark top (2 fois plus lourd), de l’électron (350 000 fois plus léger que ce dernier) ou du neutrino associé (encore un million de fois plus léger que ce dernier). Le défi est là. Comment rendre compte de l’extraordinaire diversité des masses observées dans le zoo des particules élémentaires de la matière ?"

Mais pour les experts, c’est sûr, le boson de Higgs existe déjà. Il se manifestera au Grand collisionneur de hadrons, cet accélérateur de nouvelle génération, qui entrera en fonction au Cern de Genève en 2007. Il s’agit d’une machine géante, de 27 kilomètres de circonférence, qui atteindra 14 mille milliards d’électronvolts d’énergie. Une performance unique au monde. Par comparaison, le Stanford Linear Accelerator Center (SLAC) de San Francisco en Californie, mesure 3 kilomètres de long et il produit des électrons de 50 milliards d’électronvolts. Coût estimé du LHC : 2,6 milliards d’euros, financés grâce à la collaboration des pays européens et de leurs partenaires internationaux. La France contribue à travers le travail de 440 chercheurs, ingénieurs ou techniciens du CNRS-IN2P3 et du CEA. Elle participe aux expériences Atlas et CMS (Compact Muon Solenoid) qui traqueront le fameux Higgs. Elle aidera à analyser les 10 milliards de mégaoctets de données obtenus chaque année. Dans la mythologie grecque, Atlas représente le géant condamné par Zeus à supporter la voûte céleste sur ses épaules. L’expérience souterraine qui porte le même nom, elle, n’usurpe pas la comparaison. "Atlas est le plus gros des quatre détecteurs qui équiperont le LHC", précise Etienne Augé. Il faut imaginer cette cathédrale surréaliste, cylindre de 22 mètres de diamètre pour 28 mètres de long. "La collaboration regroupe 1 700 personnes issues de trente pays, dont deux cents Français. Le coût de réalisation de cette seule partie s’élève à 300 millions d’euros. La moisson durera jusqu’en 2015. Et les collisions de protons se produiront 800 millions de fois par seconde…"

Les calculs les plus précis prédisent que la masse la plus probable du mythique boson se situera entre cent et deux cents fois celle du proton. Mais le Higgs ne surgira effectivement que dans une collision sur un milliard…. Et il sera dûment identifié dans… 0,5 % des cas. Soit, en pratique, quelques fois par jour. On touche ici à un aspect crucial de la physique. La particule de Higgs serait une manifestation de la nature bouillonnante et effervescente du vide quantique. Paradoxe. Ce vide ultime n’est pas le néant. Il possède une énergie irréductible en raison des fluctuations qui l’agitent. Ainsi se créent et disparaissent sans cesse des paires de particules et d’antiparticules fugaces ou virtuelles. En définitive, l’Univers serait né, il y a fort longtemps, de l’une de ces fluctuations majeures et… primordiales.