À propos de la découverte de la particule de Higgs

Le 4 juillet 2012, l’Organisation européenne pour la recherche nucléaire (CERN) à Genève fait une annonce qui fera date dans l’histoire : « Les expériences du CERN observent une particule dont les caractéristiques sont compatibles avec celles du boson de Higgs tant attendu.[[CERN, communiqué (http://press.web.cern.ch/press/pressreleases/Releases2012/PR17.12f.html)]] »

Toute vie sociale est essentiellement pratique. Tous les mystères qui détournent la théorie vers le mysticisme trouvent leur solution rationnelle dans la pratique humaine et dans la compréhension de cette pratique [[K.Marx, 8e thèse sur Feuerbach, 1845]].

En 1964, Robert Brout et François Englert de l’Université libre de Bruxelles ont proposé un mécanisme plus tard appelé « mécanisme de Higgs » pour expliquer la masse des particules élémentaires qui ont une masse [[L’inertie d’un corps est sa résistance à une variation de vitesse (accélération). L’inertie est fonction de la masse du corps : plus celle-ci est grande, plus la force requise pour modifier son mouvement sera importante. Le terme masse désigne deux grandeurs attachées à un corps : l’une mesure l’inertie du corps (la masse inerte) et l’autre la contribution du corps à la force de la gravitation (la masse pesante), par exemple celle de la Terre. L’égalité de ces deux grandeurs est expérimentalement vérifiée. On les identifie alors. La masse intervient dans l’équation la plus célèbre de la physique classique (Newton ): force = masse × accélération. Dans ce cadre, la masse est une propriété intrinsèque d’un corps, indépendante de l’environnement extérieur. Par contre, la découverte du 4 juillet indique que la masse d’une particule élémentaire est le fruit de l’interaction de ce corps avec le champ de l’interaction de masse, le champ de Brout-Englert-Higgs.
Un champ est une réalité physique qui occupe tout l’espace et qui a à chaque instant et en chaque point une valeur. Voici quelques exemples : la température, la pression, la densité qui sont définies en chaque point de l’espace et du temps. Voir aussi J.-P. Kerckhofs et Jean Pestieau, « Les fondements de la matière et de la lumière », Études marxistes 97 (2012), p. 84 à 88, 93 et 94.]]. Ce mécanisme fut proposé simultanément par Peter Higgs de l’université d’Édimbourg et c’est le nom de ce dernier qui a été retenu pour le nommer, ainsi que la particule associée à ce mécanisme, le boson de Higgs.

Il faut savoir que ce qui est appelé « modèle standard » constitue la théorie la plus précise et la plus complète jamais construite pour comprendre les interactions fondamentales de la nature[[Jusqu’au 4 juillet 2012, quatre sortes d’interactions fondamentales (de forces) étaient mises en évidence dans la nature : l’interaction gravitationnelle (de longue portée), l’interaction électromagnétique (de longue portée), l’interaction nucléaire faible (de courte portée) et l’interaction nucléaire forte. Depuis le 4 juillet, une nouvelle interaction s’est manifestée, l’interaction de masse au travers du mécanisme de Higgs. Le modèle standard concerne toutes ces forces d’interaction à l’exception de la gravitation. Voir tableau des particules élémentaires.]]. Le mécanisme de Higgs, qui forme une partie essentielle du modèle standard, montre comment des interactions à très courte distance entre particules élémentaires, comme la force nucléaire faible d’interaction, responsable de plusieurs désintégrations radioactives, et des interactions à longue distance, comme l’interaction électromagnétique, de portée infinie, peuvent avoir une origine commune.

Sur base de ces idées, les physiciens théoriciens Sheldon Glashow, Abdus Salam et Steven Weinberg construisirent en 1973 une théorie unifiant les interactions électromagnétique et faible, qui leur valut le prix Nobel en 1979. La découverte au CERN en 1983 des bosons massifs W et Z prédits par cette théorie valut l’année suivante le prix Nobel aux expérimentateurs Carlo Rubbia et Simon van der Meer.

Dans l’article qui suit du professeur Matt Strassler, « Pourquoi la particule de Higgs est importante ? », les idées à la base du mécanisme de Higgs sont développées plus complètement. Ici seront exposés quelques points du contexte qui entoure la découverte du 4 juillet 2012.

Nous ne connaissons aujourd’hui que les tout premiers aspects de cette nouvelle interaction de masse, manifestée par la particule de Higgs. Le communiqué du 4 juillet du CERN se termine d’ailleurs par : « Identifier formellement les caractéristiques de la nouvelle particule prendra beaucoup de temps et exigera un grand nombre de données. Mais, quelles que soient les propriétés du boson de Higgs, nous sommes sur le point de faire un grand pas en avant dans notre compréhension de la structure fondamentale de la matière. »

Le passage de la théorie à l’expérience (pratique)

Le CERN est une entreprise publique multinationale à base européenne [[Sur le CERN, voir son site http://public.web.cern.ch/public/fr/About/About-fr.html. Lire aussi de Maurice Jacob, 2001, Au cœur de la matière: La physique des particules élémentaires, Odile Jacob, Paris, ISBN : 978-2-7381-0980-4 les pages 23 à 28 citées en http://studies.d-meeus.be/wikindx3/index.php?action=resourceView&id=994.]] qui se consacre à la recherche fondamentale. Vingt pays européens en sont membres, notamment l’Allemagne, la France, le Royaume-Uni et l’Italie. Ses succès scientifiques comme entreprise collective empêchent jusqu’à présent les interventions directes intempestives des États et des entreprises multinationales. Contrairement à de nombreux instituts de recherche aux États-Unis, elle n’est pas liée au complexe militaro-industriel, à la politique des secrets et des brevets. C’est ce qui ressort d’ailleurs de sa convention constituante :

« L’Organisation assure la collaboration entre États européens pour les recherches nucléaires de caractère purement scientifique et fondamental, ainsi que pour d’autres recherches en rapport essentiel avec celles-ci. L’Organisation s’abstient de toute activité à fins militaires et les résultats de ses travaux expérimentaux et théoriques sont publiés ou de toute autre façon rendus généralement accessibles. » [[Unesco, Guide des archives…, CERN (http://www.unesco.org/archives/sio/Fre/presentation_print_fr.php?idOrg=1003).]]

Les physiciens et leurs organismes de financement, qu’ils soient d’États membres ou non, sont responsables du financement, de la réalisation et de l’exploitation des expériences auxquelles ils collaborent. Le CERN investit une part importante de son budget dans la construction de nouveaux accélérateurs, tels que le Grand collisionneur de hadrons [[Les hadrons sont des particules composées de quarks et de gluons qui sont les seules à être sensibles à l’interaction nucléaire forte contrairement aux leptons. Voir ci-dessus le tableau des particules élémentaires. Sur le LHC, voir http://public.web.cern.ch/public/fr/LHC/LHC-fr.html.]] (LHC) et il ne contribue que partiellement au coût des expériences.

Le CERN emploie 2 400 personnes environ. Le personnel scientifique et technique du laboratoire, en collaboration avec ses partenaires du monde entier, conçoit et construit les accélérateurs de particules et assure leur bon fonctionnement. Il contribue également à la préparation et à la mise en œuvre des expériences scientifiques complexes, ainsi qu’à l’analyse et à l’interprétation des résultats.

Environ 10 000 scientifiques visiteurs, soit la moitié des physiciens des particules du monde, viennent au CERN pour mener des recherches. 608 universités ou instituts de recherche et 113 nationalités sont représentées.

Une organisation comme le CERN ne peut travailler sans une planification couvrant plusieurs générations. Ainsi la conception du LHC a commencé au milieu des années 80. Sa construction s’est étalée entre 1998 et 2008. Simultanément ont été construits quatre grands détecteurs. Sa conception a donc précédé la mise en service de son prédécesseur le LEP (Grand collisionneur d’électrons-positrons). Celui-ci avait débuté en 1989 pour être fermé en 2000, après l’obtention de résultats remarquablement précis, donnant une assise expérimentale ferme au modèle standard, si on exclut le boson de Higgs.

Pour investir des milliards d’euros dans une telle machine, il faut bien la choisir, car on ne peut se permettre de la construire qu’à un exemplaire. C’est pourquoi, il y a des réunions élargies composées de tous les spécialistes de collisionneurs du monde entier qui se réunissent dans des groupes de travail pour peser le pour et le contre des différents projets. Après cette phase, la direction scientifique collective du CERN décide quel projet adopter. Il y a alors des groupes de travail composé de scientifiques du monde entier qui se réunissent pour voir comment répartir la construction des différentes parties du LHC (dans un tunnel d’une circonférence de 27 km) et des quatre détecteurs (chacun grand comme une moitié de cathédrale) avec des exigences de précision à faire pâlir les meilleurs horlogers suisses. Après les discussions démocratiques, étayée par de solides rapports scientifiques, la direction collégiale décide. Le travail est alors réparti dans des centaines d’instituts et d’universités du monde entier. Un procédé similaire est utilisé pour choisir les expériences à faire et pour les mener à bien collectivement. Le LHC ne sert pas seulement à étudier les propriétés du boson de Higgs mais aussi à découvrir de nouvelles particules et leurs caractéristiques, à explorer les propriétés des diverses interactions fondamentales, à en découvrir éventuellement de nouvelles. Il y a toujours l’espoir de pouvoir percer les secrets de la matière noire (23 % de l’Univers) et de l’énergie sombre (73 % de l’Univers) dont nous ne connaissons presque rien. La matière ordinaire que nous connaissons relativement bien ne constitue que 4 % de l’Univers.

Afin de se rendre compte de l’effort collectif, prenons l’exemple de la collaboration au détecteur CMS [[CERN, Compact Muon Solenoid experiment, « People statistics », 14 avril 2012 (http://cms.web.cern.ch/content/people-statistics).]] — à laquelle sont, entre autres, attachés 75 scientifiques travaillant dans les universités belges.

Environ 4 300 personnes y sont actives (physiciens, ingénieurs, techniciens, personnel administratif, étudiants, ouvriers, etc.) dont 1 740 physiciens avec doctorat, 845 étudiants en doctorat en physique, 790 ingénieurs, 690 étudiants de maîtrise en physique. Un article publié par la collaboration a environ 2 100 signataires.

Entre décembre 2011, quand il a été annoncé qu’il n’était pas impossible qu’une particule aux caractéristiques semblables à celles du boson de Higgs existe avec une masse égale à 125-126 GeV [[1 GeV est égal à un milliard d’électron-volt. C’est dans cette unité que sont mesurées les masses des particules élémentaires les plus lourdes comme les W, Z, H et t : voir tableau des particules élémentaires.]], et le 4 juillet 2012, quand la découverte a été annoncée, on a réalisé pour ce résultat un extraordinaire travail collectif. Des dizaines de propositions ont été faites à la base, centralisées au niveau adéquat et mises en pratique pour améliorer les performances du LHC et des détecteurs CMS et ATLAS [[Sur CMS, voir http://public.web.cern.ch/public/fr/LHC/CMS-fr.html. Sur ATLAS, http://public.web.cern.ch/public/fr/LHC/ATLAS-fr.html.]]. Il y a deux conditions pour une telle réussite : (1) l’unification des connaissances, des intuitions et des volontés personnelles dans un but précis : accomplir un pas en avant dans la connaissance de la nature, (2) la mise à disposition — au travers des impôts payés par des centaines de millions de travailleurs du monde entier — des moyens colossaux, chiffrés en milliards d’euros, nécessaires pour mener à bien de telles expériences scientifiques.

Recherche fondamentale et impérialisme

L’expérience met aussi en lumière divers aspects des relations entre Europe et États-Unis dans la recherche et certaines différences d’attitude entre l’Europe et les États-Unis en matière de recherche.

Quant aux relations, il y a bien sûr à la fois collaboration et concurrence. De nombreux chercheurs américains collaborent aux travaux du CERN et les États-Unis ont obtenu en 1997 le statut d’observateur. Cependant la politique des États-Unis a été longtemps de privilégier les outils purement nationaux.

Il n’y a pas de doute que l’Union européenne a des visées impérialistes, mais elles sont, pour le moment, plus timides et moins militaires que celles des États-Unis. Les milieux dirigeants des États-Unis sont pris dans la contradiction de vouloir se targuer d’être à la pointe de la recherche scientifique tout en maintenant leur suprématie militaire par rapport au reste du monde et leur domination sur une grande partie, ce qui coûte cher. Mis en service en 1983, le Tevatron, puissant outil du Fermilab, a dû fermer ses portes en septembre 2011 [[The Economist, « So long, and thanks for all the quarks », 1er octobre 2011 (http://www.economist.com/node/21530946).]]. La construction du SSC (Superconducting Super Collider), portant tous les espoirs des États-Unis de découvrir les premiers le boson de Higgs, décidée en 1988 et commencée en 1991, a été arrêtée en 1993 par le Congrès.

Face à cela, le CERN se caractérise comme international, non commercial et non militaire. Construit à partir de 1998 et terminé en 2008, le LHC a obtenu, le 4 juillet 2012, relativement peu de temps après sa mise en service, un résultat majeur.

Dans un article remarquable sur le boson de Higgs [[S. Weinberg, The New York Times, « Why the Higgs Boson Matters », 13 juillet 2012 (http://www.nytimes.com/2012/07/14/opinion/weinberg-why-the-higgs-boson-matters.html). ]], Steven Weinberg, un des concepteurs centraux du modèle standard, semble mettre la science dans le voisinage douteux de la guerre : « On peut avancer un argument en faveur de ce genre de dépenses, même pour ceux qui ne se préoccupent pas d’apprendre les lois de la nature. Explorer les frontières ultimes de notre connaissance de la nature est par un certain côté comme la guerre : cela pousse la technologie moderne à ses limites, fournissant souvent de la nouvelle technologie d’une grande importance pratique. » On doit supposer que Weinberg préfère obtenir ces retombées technologiques par la science que par la guerre. Mais il est possible de défendre la valeur de la recherche fondamentale pour elle-même et le CERN montre qu’on peut mener cette recherche autrement.

C’est le point de vue de François Englert, un des concepteurs du mécanisme de Brout-Englert-Higgs : « C’est pour moi un sentiment merveilleux de voir cela [la collaboration de 10 000 personnes à la découverte du Boson de Higgs] et me donne l’impression que de temps en temps, il y a quelque chose dans la nature humaine qui ne participe pas au désastre collectif vers quoi nous semblons parfois aller. […] Voir cinquante nationalités coexister sans problème, dans l’entraide, loin d’un monde qui va mal, est très réconfortant. Il faudrait, je lance l’idée, donner le prix Nobel de la Paix au CERN. Il le mérite bien. Au-delà du développement technologique extraordinaire réalisé, c’est l’image de ce rassemblement de l’humanité qui est formidable. » [[La Libre Belgique, 4 juillet 2012 (http://www.lalibre.be/societe/sciences-sante/article/747810/le-boson-devrait-lui-donner-le-nobel.html).]]

Tableau des particules élémentaires

Les quarks et les leptons sont des fermions

Chaque fermion (quark ou lepton) a une antiparticule correspondante. Ainsi l’électron a une antiparticule, le positron, qui a la charge électrique opposée à celle de l’électron. Néanmoins, les neutrinos étant de charge électrique nulle, il n’est pas impossible que le neutrino de chaque type soit sa propre antiparticule.

Les quarks apparaissent dans trois variantes (appelées couleurs). Ainsi le quark u ou quark up apparaît dans ces trois variantes.

Les véhicules des forces d’interaction sont des bosons

Les gluons apparaissent en huit variantes différentes. Ils sont les véhicules de l’interaction nucléaire forte à laquelle seuls les quarks sont sensibles.

Hormis les neutrinos, tous les fermions sont sensibles à la force d’interaction électromagnétique véhiculée par le photon.

Tous les fermions sont sensibles à la force nucléaire faible véhiculée par les bosons Z et W.

À noter que toutes les particules élémentaires, fermions et bosons, sont sensibles à la force d’interaction gravitationnelle, véhiculée par le graviton, boson non encore découvert.

Les seules particules de masse nulle (insensibles au mécanisme de Brout-Englert-Higgs) sont le photon, les huit gluons et le graviton.