En termes simples, le boson de Higgs est la particule la plus chère de tous les temps. Si, par exemple, un tube à vide et quelques esprits brillants suffisaient pour découvrir l'électron, la recherche du boson de Higgs nécessitait la création d'une énergie expérimentale, que l'on trouve rarement sur Terre. Le Large Hadron Collider n'a pas besoin d'être présenté, étant l'une des expériences scientifiques les plus célèbres et les plus réussies, mais sa particule de profil, comme auparavant, est entourée de mystère pour la plupart de la population. On l'a appelé une particule de Dieu, cependant, grâce aux efforts de milliers de scientifiques, nous n'avons plus à accepter son existence sur la foi.
Dernier inconnu
Qu'est-ce que le boson de Higgs et quelle est l'importance de sa découverte ? Pourquoi est-il devenu le sujet de tant de battage médiatique, de financement et de désinformation ? Pour deux raisons. Premièrement, c'était la dernière particule non découverte nécessaire pour confirmer le modèle standard de la physique. Sa découverte signifiait que toute une génération de publications scientifiques n'avait pas été vaine. Deuxièmement, ce boson donne aux autres particules leur masse, ce qui lui donne une signification particulière et une certaine « magie ». Nous avons tendance à penser àla masse comme propriété intrinsèque des choses, mais les physiciens pensent autrement. En termes simples, le boson de Higgs est une particule sans laquelle la masse n'existe en principe pas.
Un champ de plus
La raison réside dans le soi-disant champ de Higgs. Il a été décrit avant même le boson de Higgs, car les physiciens l'ont calculé pour les besoins de leurs propres théories et observations, ce qui nécessitait la présence d'un nouveau champ dont l'action s'étendrait à tout l'Univers. Renforcer des hypothèses en inventant de nouvelles composantes de l'univers est dangereux. Dans le passé, par exemple, cela a conduit à la création de la théorie de l'éther. Mais plus les calculs mathématiques étaient faits, plus les physiciens comprenaient que le champ de Higgs devait exister dans la réalité. Le seul problème était le manque de moyens pratiques pour l'observer.
Dans le modèle standard de la physique, les particules élémentaires gagnent en masse grâce à un mécanisme basé sur l'existence du champ de Higgs qui imprègne tout l'espace. Il crée des bosons de Higgs, qui nécessitent beaucoup d'énergie, et c'est la principale raison pour laquelle les scientifiques ont besoin d'accélérateurs de particules modernes pour mener des expériences à haute énergie.
D'où vient la masse ?
La force des interactions nucléaires faibles diminue rapidement avec l'augmentation de la distance. Selon la théorie quantique des champs, cela signifie que les particules impliquées dans sa création - les bosons W et Z - doivent avoir une masse, contrairement aux gluons et aux photons, qui n'ont pas de masse.
Le problème est que les théories de jauge ne traitent que des éléments sans masse. Si les bosons de jauge ont une masse, alors une telle hypothèse ne peut pas être raisonnablement définie. Le mécanisme de Higgs évite ce problème en introduisant un nouveau champ appelé champ de Higgs. Aux hautes énergies, les bosons de jauge n'ont pas de masse et l'hypothèse fonctionne comme prévu. Aux basses énergies, le champ provoque une brisure de symétrie qui permet aux éléments d'avoir une masse.
Qu'est-ce que le boson de Higgs ?
Le champ de Higgs produit des particules appelées bosons de Higgs. Leur masse n'est pas spécifiée par la théorie, mais à la suite de l'expérience, il a été déterminé qu'elle est égale à 125 GeV. En termes simples, le boson de Higgs a définitivement confirmé l'existence du modèle standard.
Mécanisme, champ et boson portent le nom du scientifique écossais Peter Higgs. Bien qu'il n'ait pas été le premier à proposer ces concepts, mais, comme c'est souvent le cas en physique, c'est simplement lui qui les a nommés.
Symétrie brisée
On pensait que le champ de Higgs était responsable du fait que des particules qui ne devraient pas avoir de masse en avaient. Il s'agit d'un milieu universel qui confère aux particules sans masse des masses différentes. Une telle violation de la symétrie s'explique par analogie avec la lumière - toutes les longueurs d'onde se déplacent dans le vide à la même vitesse, tandis que dans un prisme, chaque longueur d'onde peut être distinguée. Il s'agit bien sûr d'une analogie incorrecte, car la lumière blanche contient toutes les longueurs d'onde, mais l'exemple montre commentla création de masse par le champ de Higgs semble être due à la brisure de symétrie. Un prisme brise la symétrie de la vitesse de différentes longueurs d'onde de la lumière en les séparant, et on pense que le champ de Higgs brise la symétrie des masses de certaines particules qui sont autrement symétriquement sans masse.
Comment expliquer le boson de Higgs en termes simples ? Ce n'est que récemment que les physiciens se sont rendus compte que si le champ de Higgs existait vraiment, son fonctionnement nécessiterait la présence d'un porteur approprié avec des propriétés grâce auxquelles il peut être observé. On a supposé que cette particule appartenait aux bosons. En termes simples, le boson de Higgs est ce qu'on appelle la force porteuse, au même titre que les photons, qui sont porteurs du champ électromagnétique de l'Univers. Les photons sont en quelque sorte ses excitations locales, tout comme le boson de Higgs est une excitation locale de son champ. Prouver l'existence d'une particule avec les propriétés attendues par les physiciens revenait en fait à prouver directement l'existence d'un champ.
Expérience
De nombreuses années de planification ont permis au Grand collisionneur de hadrons (LHC) de devenir le témoignage d'une réfutation potentielle de la théorie du boson de Higgs. Un anneau de 27 km d'électroaimants super puissants peut accélérer les particules chargées à des fractions significatives de la vitesse de la lumière, provoquant des collisions suffisamment fortes pour les séparer en leurs composants, ainsi que déformer l'espace autour du point d'impact. Selon les calculs, à une énergie de collision d'un niveau suffisamment élevé, il est possible de charger un boson pour qu'il se désintègre, et cela peut êtreregarderai. Cette énergie était si grande que certains ont même paniqué et prédit la fin du monde, et le fantasme des autres est allé si loin que la découverte du boson de Higgs a été décrite comme une opportunité de se pencher sur une dimension alternative.
Confirmation finale
Les observations initiales semblaient en fait réfuter les prédictions, et aucun signe de la particule n'a pu être trouvé. Certains des chercheurs impliqués dans la campagne pour dépenser des milliards de dollars sont même apparus à la télévision et ont humblement déclaré le fait que réfuter une théorie scientifique est tout aussi important que de la confirmer. Après un certain temps, cependant, les mesures ont commencé à s'ajouter à la situation dans son ensemble et le 14 mars 2013, le CERN a officiellement annoncé la confirmation de l'existence de la particule. Il existe des preuves suggérant l'existence de plusieurs bosons, mais cette idée nécessite une étude plus approfondie.
Deux ans après que le CERN a annoncé la découverte de la particule, les scientifiques travaillant au Large Hadron Collider ont pu le confirmer. D'une part, ce fut une énorme victoire pour la science, et d'autre part, de nombreux scientifiques ont été déçus. Si quelqu'un avait espéré que le boson de Higgs serait la particule qui conduirait à des régions étranges et merveilleuses au-delà du modèle standard - supersymétrie, matière noire, énergie noire - alors, malheureusement, cela s'est avéré ne pas être le cas.
Une étude publiée dans Nature Physics a confirmé la désintégration en fermions. Le modèle standard prédit que, en termes simples, le bosonLe Higgs est la particule qui donne aux fermions leur masse. Le détecteur du collisionneur CMS a finalement confirmé leur désintégration en fermions - quarks down et leptons tau.
Le boson de Higgs en termes simples: qu'est-ce que c'est ?
Cette étude a finalement confirmé qu'il s'agit du boson de Higgs prédit par le modèle standard de la physique des particules. Il est situé dans la région masse-énergie de 125 GeV, n'a pas de spin et peut se désintégrer en de nombreux éléments plus légers - paires de photons, fermions, etc. Grâce à cela, nous pouvons affirmer avec certitude que le boson de Higgs, en termes simples, est une particule qui donne de la masse à tout.
Déçu par le comportement par défaut d'un élément nouvellement ouvert. Si sa désintégration était même légèrement différente, elle serait liée différemment aux fermions et de nouvelles voies de recherche émergeraient. D'un autre côté, cela signifie que nous n'avons pas bougé d'un pas au-delà du modèle standard, qui ne tient pas compte de la gravité, de l'énergie noire, de la matière noire et d'autres phénomènes bizarres de la réalité.
Maintenant, on ne peut que deviner ce qui les a provoqués. La théorie la plus populaire est la supersymétrie, qui stipule que chaque particule du modèle standard a un superpartenaire incroyablement lourd (constituant ainsi 23 % de l'univers - la matière noire). La mise à niveau du collisionneur, en doublant son énergie de collision à 13 TeV, permettra probablement de détecter ces superparticules. Sinon, la supersymétrie devra attendre la construction d'un successeur plus puissant au LHC.
Autres perspectives
Alors, à quoi ressemblera la physique après le boson de Higgs ? Le LHC a récemment repris ses travaux avec des améliorations significatives et est capable de tout voir, de l'antimatière à l'énergie noire. On pense que la matière noire interagit avec la matière ordinaire uniquement par la gravité et par la création de masse, et l'importance du boson de Higgs est essentielle pour comprendre exactement comment cela se produit. Le principal inconvénient du modèle standard est qu'il ne peut pas expliquer les effets de la gravité - un tel modèle pourrait être appelé la théorie de la grande unification - et certains pensent que la particule et le champ de Higgs pourraient être le pont que les physiciens cherchent si désespérément.
L'existence du boson de Higgs a été confirmée, mais sa pleine compréhension est encore très loin. Les futures expériences réfuteront-elles la supersymétrie et l'idée de sa décomposition en matière noire elle-même ? Ou vont-ils confirmer jusqu'au dernier détail des prédictions du modèle standard sur les propriétés du boson de Higgs et mettre fin à jamais à ce domaine de recherche ?
