L’univers ne s’est pas créé en quelques jours, bien entendu. Il est né de ce qu’on appelle le « Big-Bang » qui n’est autre qu’une singularité, c’est à dire un point mathématique sans volume et de densité infinie. Actuellement son âge est estimé à 13,7 milliards d’années. Il ne s’est pas non plus fabriqué n’importe comment. Plusieurs étapes ont été nécessaires. Et nous les connaissons, depuis qu’il était âgé d’environ 300 000 ans, ce qui, à cette échelle, signifie qu’il venait pratiquement de naître. Il a mis du temps à s’organiser. Ici, « organiser » veut dire que l’univers s’est doté de lois. Prenons l’exemple de notre système solaire ! Il a fallu beaucoup de temps pour le comprendre, de nombreux siècles à vrai dire. Depuis l’antiquité, nombreux sont ceux qui l’ont étudié pour savoir de quoi il retournait. Il serait trop long de tous les citer, mais certains ont apporté leur pierre à l’édifice de façon plus ou moins arbitraire, tout en faisant avancer la connaissance. C’est le cas d’Aristote, de Ptolémée, et plus près de nous, deux astronomes ont résolu son « fonctionnement ». Tout d’abord, au XVe siècle, le Polonais Nicolas Copernic (1473-1563) a découvert l’héliocentrisme. Autrement dit, les planètes orbitent autour du Soleil. Car en effet, jusqu’alors, c’est la Terre qui était placée au centre du système solaire. Un peu plus tard, l’Allemand Johannes Kepler (1571-1630) établissait trois lois décrivant le mouvement des planètes autour du Soleil, ces lois étant toujours utilisées de nos jours, et qui sont les suivantes :
Puis vint un autre personnage important pour l’astronomie. C’est l’Anglais Isaac Newton (1643-1727). Il mit au point le premier télescope à réflexion et apporta d’importantes avancées sur la composition de la lumière. Avant lui, on utilisait déjà des réfracteurs, don le premier à avoir eu l’idée de diriger une lunette vers le ciel fut Galileo Galiléi en 1609. La légende que tout le monde connaît, nous dit qu’un soir, Newton était assit sous un pommier en regardant le ciel étoilé. Tout à coup, une pomme se décrocha de l’arbre et tomba au sol. Ce serait à ce moment là que le jeune savant s’interrogea : Comment se fait-il que la pomme tombe au sol, alors que la Lune que je vois dans le ciel, ne tombe pas ? Cette légende est-elle réelle ? Il n’en est pas moins vrai que Newton en tira une leçon et qu’il découvrit et formula, la loi de l’attraction universelle qui nous dit qu’il s’agit du phénomène d'interaction physique qui cause l'attraction réciproque des corps massifs entre eux, sous l'effet de leur masse.
Depuis lors, on comprit bien des choses dans l’univers, et les scientifiques n’ont eu de cesse d’en savoir toujours davantage. Et c’est en 1905 qu’un dénommé Albert Einstein (1879-1955) émet une théorie appelée « relativité restreinte », dans laquelle le temps et l’espace sont étroitement connectés, et de plus, la vitesse de la lumière est la même dans toutes les directions et pour tous les observateurs. La célèbre équation E=mc2 est née. Dix ans plus tard, il élabore la théorie de la « relativité générale » qui décrit la gravitation comme la courbure de l’espace temps, et qui supplante la gravitation universelle de Newton. Elle est directement liée à la cosmologie qui étudie l’univers dans sa globalité. C’est une révolution dans le milieu scientifique.
Toutes ces découvertes concernent l’infiniment grand, c’est à dire l’univers dans son ensemble. Mais pour créer cet infiniment grand, il a fallu de l’infiniment petit. Celui-ci est représenté par des atomes (du grec atomos qui signifie « indivisible »). Cette conception avait déjà été pressentie dans l’antiquité par des philosophes Grecs comme Leucippe et Démocrite. Mais le physicien danois Niels Bohr (1885-1962) fut le premier à décrire l’atome comme étant constitué d’un noyau autour duquel gravitent des électrons, un peu à la manière du système solaire où les planètes gravitent autour du Soleil. Cette image n’est d’ailleurs pas vraiment exacte car la réalité s’avère plus compliquée. Mais l’atome n’était plus la plus petite entité de la matière, car constitué de différentes particules : les électrons (découverts en 1897 par Thomson) et un noyau (découvert en 1911 par Rutherford), lui-même composé de protons et de neutrons. L’électron possède une charge électrique négative, le proton possède une charge électrique positive, et le neutron, comme son nom l’indique, est neutre. C’est la raison pour laquelle la matière existe. En effet, deux charges électriques identiques se repoussent, mais deux charges électriques opposées s’attirent. L’aventure de l’infiniment petit ne s’arrête pas là loin s’en faut. Le physicien américain Murray Gell-Mann, né en 1929, proposa que les protons et neutrons du noyau atomique étaient eux-mêmes constitués de particules. Le quark était découvert. Toutes ces particules sont appelées « fermions ».
Cependant, on peut légitimement se poser une question : nous savons que deux charges électriques opposées s’attirent, c’est ce qui se passe au sein de l’atome entre l’électron et le proton du noyau. Alors comment se fait-il que ces particules ne s’attirent pas au point de se coller entre elles ? Car en effet, si nous comparons un atome à un stade, le noyau sera situé au centre du terrain, alors que les électrons se trouveront à ses extrémités. La réponse est assez simple ; c’est que Dame Nature a pensé à tout ! La matière est une chose mais sa cohérence en est une autre. Au début de l’univers se trouvait une force qui, elle aussi, s'est organisée dans le temps. A vrai dire, elle s’est divisée pour former quatre forces que l’on appelle « interactions ». Nous avons donc l’interaction gravitationnelle, l’interaction électromagnétique, l’interaction nucléaire forte et l’interaction nucléaire faible.
Bien entendu, ces interactions n’agissent pas de la même manière et ne concernent donc pas l’ensemble de la matière. Voyons cela :
Ci-dessus, désintégration d’un neutron en interaction faible dans le modèle standard, selon un diagramme de Feynman.
Un mot sur les diagrammes de Feynman : Le physicien Richard Feynman (1918-1988) réalisa de nombreux travaux sur l’életrodynamique quantique relativiste. Il créa ces diagrammes à la fin des années 1940 pour réaliser les calculs de diffusion en théorie quantique des champs. Les bosons y sont représentés par des lignes ondulées, les fermions par des lignes pleines, et le boson de Higgs par une ligne en pointillés. L’endroit ou les lignes se connectent est appelé « sommet ». Ci-après nous prenons un exemple simple de l’annihilation d’un électron et d’un positron :
A gauche nous trouvons l’état initial, un positron (e+, antiparticule de l’électron) rencontre un électron (e-) de charge opposée, d’où l’annihilation. Cette annihilation crée un photon (g) qui à son tour, crée une paire positron-électron. Le temps se déroule de la gauche vers la droite.
Notons bien que toutes les particules porteuses de ces différentes interactions sont appelées « bosons de jauge ». Les bosons W, Z, Higgs et leptons tau (les leptons sont insensibles à l’interaction forte), ont une durée de vie très courte et ne peuvent pas être détectée directement, mais par le résultat de leur désintégration. Les bosons W et Z ont été découvert au CERN en 1983 avec la transformation du supersynchrotron à proton (SPS) en collisionneur proton-antiproton, dont une collision sur un milliard manifestait la présence d’un boson. Le SPS est entré en service en 1976. Mesurant 7 km de circonférence, il accélère les protons jusqu’à une énergie de 450 GeV.
Avec tout ça, il y a de quoi travailler et faire avancer la science. Mais cette physique qui repose sur la relativité d’Einstein n’explique pas tout. En effet, en 1900, un physicien Allemand, Max Planck (1858-1947) s’était penché sur le problème d’un corps que l’on chauffe de plus en plus. Elle émet un rayonnement, c’est à dire de la lumière, en fonction de sa température. Il est vrai qu’à cette époque, la relativité n’avait pas encore vu le jour, mais cela ne change rien au problème. Imaginons que l’on chauffe une barre de fer. Petit à petit elle va commencer à rougir, puis elle passera à l’orange, et si on continue encore à la chauffer elle tendra à devenir blanche etc… La physique disait alors qu’un corps chaud devait émettre de la lumière en quantité infinie dans l’ultra violet. Ce n’était manifestement pas le cas. Max Planck eut alors une idée : il proposa que l’énergie rayonnée ne l’était pas en continu mais en discontinu, c’est à dire sous forme de grains de lumière, qu’il appela « quanta ». Chaque quanta serait porteur d’une énergie que l’on pourrait calculer en multipliant une certaine valeur par la fréquence du rayonnement (cette « certaine valeur » correspond aujourd’hui à ce que l’on appelle la constante de Planck, qui est égale à 6,58 x 10-16 ev/s). Si la matière était constituée de particules, la lumière pouvait l’être également. L’ère de la physique quantique venait de commencer. Elle se différencie de la physique classique en de nombreux points. Par exemple, la dualité onde/corpuscule qui démontre qu’en réalité, la lumière peut aussi bien apparaître sous forme de particule (le photon), que comme une onde, tel un caillou jeté dans l’eau (on parle alors de « fonction d’onde »). Autre différence, le principe d’indétermination (ou d’incertitude) qui nous dit que si l’on connaît la vitesse d’une particule, on ne peut connaître pas connaître sa position. Et il y en a d’autres. Cette physique quantique ne s’applique qu’à l’infiniment petit. Elle ne remet nullement en cause la relativité, mais cette dernière s’applique à l’infiniment grand et ne tient compte que de l’interaction gravitationnelle. Nous voilà donc en présence de deux physiques différentes, avec des lois différentes, et qui s’appliquent à des mondes différents mais bien réels.
Le 29 septembre 1954 la convention de création d’un Centre Européen pour la Recherche Nucléaire (CERN) a été ratifiée par douze états fondateurs : Allemagne, Belgique, Danemark, France, Grèce, Italie, Norvège, Royaume-Uni, Suède, Suisse, Pays-Bas, Yougoslavie. Le but de cette organisation étant de promouvoir la collaboration mondiale des scientifiques en matière de physique nucléaire et des particules, mais également la physique théorique et celle des rayons cosmiques. Aujourd’hui de nombreux autres pays y participent. Signalons encore que c’est au CERN qu’est né le World Wide Web, afin que les données obtenues soient rapidement traitées de façon indépendante par les milliers de chercheurs à travers le monde. Grâce à la science, le CERN est un des plus beaux exemples de collaboration mondiale.
Pour mieux connaître la matière et ses interactions, les scientifiques se sont dotés de machineries extrêmement complexes et bien sûr couteuses, mais il faut en passer par là pour faire avancer nos connaissances. Ces installations s’appellent des « accélérateurs de particules ». Plusieurs ont été construits et certains projets n’ont pas vu le jour comme le SSC américain. Actuellement, le plus élaboré et le plus puissant du monde est le LHC (Large Hadron collider ») situé au CERN, à la frontière Franco-Suisse. Mais d’abord, en 1981 fut décidé de construire un LEP (Large Electron Positron collider) dont les travaux commencèrent en 1983. Les extrémités du tunnel de l’anneau se rejoignirent le 08 février 1988 et sa mise en service eut lieu le 14 juillet 1989. Jusqu’en 1996, 10 millions de collisions permirent de détecter des bosons Z. Sa puissance énergétique fut ensuite augmentée pour atteindre 209 GeV en 2000, ce qui a permit de mettre en évidence la création de paire de bosons W. La construction de son successeur, le LHC, avait déjà été approuvée en 1994 par le conseil du CERN alors présidé par Hubert Curien (qui fut ministre de la recherche et premier président de l’agence spatiale européenne). Pendant ce temps là aux Etats-Unis, un autre accélérateur traquait aussi le boson de Higgs. Il s’agissait du « Tevatron » qui a récolté des données jusqu’en 2011. Bien entendu, au CERN, on cherchait le boson de Higgs par la réaction : e+ + e- ® Z0 + h (h étant un boson de Higgs). On peut représenter cette réaction sur un diagramme de Feynman de la façon suivante :
Le LHC a commencé à fonctionner le 10 septembre 2008 mais a été arrêté quelques jours plus tard suite à un problème électrique sur une jonction supraconductrice, et a été officiellement inauguré le 21 octobre 2008. Il s’agit, en résumé, d’un anneau de 27 km de circonférence dans lequel on accélère des particules (protons) en sens opposé, à très grande vitesse, proche de la vitesse de la lumière, jusqu’à les faire entrer en collision les unes contre les autres. Les résultats sont alors minutieusement étudiés et commentés par un grand nombre de chercheurs.
Les particules ont des caractéristiques différentes, telles que leur charge, ou leur spin. Elles sont sensibles à une ou plusieurs forces. Mais certaines particules sont dotées d’une masse, tandis que d’autres en sont dépourvues. Pourquoi ? D’où vient cette masse ? Aucune interaction ne fournit de masse à une particule. Il manque quelque chose, une autre interaction elle aussi portée par une particule ? Depuis plusieurs décennies les physiciens ont tenté de répondre à cette question, mais en vain. En vain ? Pas tout à fait. Trois d’entre eux (Robert Brout, François Englert et Peter Higgs) on pensé voilà quelques cinquante années, en 1964, (Leurs travaux de recherche ont été publiés indépendamment à quelques semaines d’intervalle) que le responsable pourrait être une particule encore inconnue, baignant dans un champ qui serait présent partout dans l’univers. Depuis lors, cette particule mystérieuse a été nommée « Boson de Higgs », qu’on peut également appeler « Boson BEH » des initiales des trois personnes précédemment citées. Cette particule serait alors le vecteur du champ de Higgs.
Prenons un exemple pour comprendre comment fonctionne ce champ de Higgs. Pour cela, nous allons supposer que vous traversez une grande pièce. Elle est vide, personne ne s’y trouve. Vous n’aurez donc aucun problème à la parcourir d’une extrémité à l’autre. Maintenant supposons cette même pièce, mais dans laquelle est donnée une grande réception. Elle contient alors de très nombreux invités. Dans ce cas, pour la traverser vous éprouverez davantage de difficultés puisqu’il vous faudra vous faufiler entre ces invités. Bien sûr vous arriverez à vos fins mais en ayant fait plus d’efforts que lorsque cette pièce était vide, cette dernière situation vous aura demandé plus d’énergie. Sachant que l’énergie est également de la masse (E = mc2), nous pouvons conclure que votre masse a augmenté. Supposons donc maintenant que c’est une particule sans masse qui traverse cette même pièce. Si elle est vide, sa masse n’augmentera pas et elle restera nulle. Mais si elle comporte de nombreux obstacles (comme des invités dans le cas précédent) il lui faudra plus d’énergie pour la traverser et sa masse augmentera. Et bien la pièce remplie d’invités correspond tout simplement au champ de Higgs. Nous aurions également pu prendre l’exemple d’une voiture roulant sur l’autoroute. Elle parcourra les kilomètres sans grande difficultés. Par contre si elle roule dans un chemin boueux, elle aura beaucoup plus de mal à s’en sortir. Dans ce cas là, le champ de Higgs est le chemin boueux.
Il faut encore préciser qu’en physique des particules, on utilise entre autres l’électron-volt (eV) comme unité de mesure. C’est l'énergie acquise par un électron accéléré depuis le repos par une différence de potentiel d'un volt. Un électron-volt est égal à environ 1,60217653×10-19 joule. Cette unité sert également à déterminer la masse des particules grâce à l’équation E = mc2. On obtient alors :
Voici ci-dessous un tableau indiquant la masse des bosons, indiquée en giga électronvolts (GeV).
Le modèle standard des particules se divise tout d’abord en deux familles.
Le boson de Higgs a une durée de vie extrêmement courte (10-21 s) et se désintègre donc très rapidement en d’autres particules. En conséquence, lorsqu’il est produit, on ne peut le voir. Par contre, il est possible de voir ce en quoi il se désintègre (schéma ci-dessous).
Pour appréhender le boson de Higgs, il faut donc qu’il y ait une « brisure de symétrie ». Qu’est ce que cela veut dire ? Pour faire simple, imaginons que nous lancions un ballon contre un mur. Il va rebondir et revenir dans nos mains dans le même état qu’avant que nous l’avons lancé. C’est le même objet, il n’a subit aucune modification. On peut donc affirmer qu’il y a symétrie. Si au contraire, après avoir lancé ce même ballon contre le mur, il nous est retourné deux balles. Il n’y a plus symétrie car l’objet que nous recevons après le rebond contre le mur, n’est plus le même que celui qui était à l’origine. Il y a alors « brisure de symétrie ». C’est ce que fait le champ de Higgs qui subit lui-même la symétrie des interactions faibles.
Le 04 juillet 2012, le CERN annonçait lors d’une conférence retransmise dans le monde entier, qu’une particule ayant les caractéristiques du boson de Higgs, venait d’être découverte à l’aide de deux expériences. L’une à l’aide du détecteur « ATLAS ». Il mesure 46 m de long, 25 m de haut, 25 m de large et pèse 7 000 tonnes. C’est le plus grand détecteur jamais construit. Plus de 3 000 scientifiques de 38 pays y travaillent. L’autre à l’aide du détecteur « CMS ». Il mesure 21 m de long, 15 m de large et 15 m de haut. C’est 4 300 physiciens de 41 pays qui collaborent à cette expérience.
De 2009 à 2011, la collision des protons du LHC sest faite presque à la vitesse de la lumière (plus de 99,999 % de celle-ci). L’énergie cinétique est alors élevée, et tandis que l’énergie d’un proton au repos est très légèrement inférieure à 1 GeV, elle passe alors à 3,5 TeV (téraélectron volts : 1 TeV = 1 000 milliards d’électronvolts), ce qui nous donne 7 TeV au moment de la collision.
En 2012 cette énergie a été portée à 8 TeV, le but étant d’atteindre ultérieurement 14 TeV. Ce sont bien sûr des énergies gigantesques pour des particules mais il faut savoir qu’il en est tout autrement dans le monde macroscopique. Pour comparaison, 1 TeV correspond à peu près à l’énergie cinétique d’un moustique en vol. Mais pour augmenter l’énergie produite, le LHC doit être arrêté pour des périodes d’environ deux ans. Au total, trois arrêts seront nécessaires pendant lesquelles les améliorations nécessaires seront apportées.
Pour chaque expérience, il est « lâché » environ 500 mille milliards de protons provenant d’une simple bouteille à hydrogène pas plus grosse qu’un extincteur. Cette bouteille contenant 1027 atomes d’hydrogène, le LHC pourrait ainsi fonctionner pendant un milliards d’années avant qu’elle soit vide. Ce sont des champs électriques qui accélèrent les protons et des aimants dipolaires composés d’alliage supraconducteur et refroidis à l’hélium liquide, les maintiennent sur la bonne trajectoire dans des tubes à vide. Les supraconducteurs sont des matériaux au sein desquels, lorsque la température est suffisamment basse, le courant peut circuler sans obstacle. Dans un conducteur ordinaire, les électrons se heurtent à d’autres atome, ce qui réduit le flux.
Détecter un bosonde Higgs n’est bien sûr pas facile car dans plus de 99 % des cas, il se désintègre en produits indirectement observables qui eux mêmes se désintègrent à nouveau en d’autres produits. Et c’est à ce niveau là qu’il faut chercher. Voici quatre modes (assez rares mais faciles à détecter avec le LHC) de désintégration pour la découverte d’un boson de Higgs à 125 GeV:
A partir de février 2012, le LHC a fonctionné à 8 TeV, ce qui a engendré plus de données. En juin 2012 il fut arrêté pour une maintenance de routine, et les chercheurs ont mis ce temps à profit pour « décortiquer » les résultats d’expérience. C’est à ce moment là qu’ils se sont apreçu d’un phénomène peu courant. Ils tenaient quelque chose d’important. Etait-ce le Higgs ? Pour être certain d’avoir fait une découverte, il est nécessaire d’atteindre un niveau de probabilité important. Ce niveau qui se calcul en sigma (s) doit être au moins égal à 5. Cela signifie qu’il n’y a qu’une seule probabilité sur un million que le bruit de fond puisse faire apparaître un signal parasite de même intensité. Avec CMS on avait bien un événement à deux photons et un pic à 125 GeV (correspondant à la valeur du boson de Higgs) mais à 4,1 sigma. D’autres événements avec 4 leptons chargés, résultant de la désintégration d’un boson de Higgs en deux bosons Z étaient décelés mais à 3,2 sigma.
Mais en combinant ces canaux le résultat était de …… 5 sigma. Plus de doute possible, le boson de Higgs venait d’être trouvé. Ci-contre, le graphique d’ATLAS qui montre bien le pic à 125 GeV.
L’annonce au monde entier fut donc faite le 04 juillet 2012. Mais ce n’est certainement qu’une étape vers de futurs découvertes, peut-être de particules encore inconnues. Après tout on ne connaît pas plus de 5 % de la matière qui compose l’univers, le reste étant appelé « matière sombre ». Le boson de Higgs est peut-être une passerelle vers la connaissance de ce monde inconnu. Les cosmologues ont pensé à la présence de particules encore inconnues. Certaines ont été baptisées WIMP ( weakly interacting massive particle), ce qui signifie : particule massive interagissant faiblement. Des particules qui n’interagissent que faiblement sont par voie de conséquence, difficiles à détecter. Voici un diagramme de Feynman représentant à quoi ressemblerait une particule de matière sombre diffusant sur un quark en échangrant un boson de Higgs :
Il n’est pas non plus inenvisageable de créer de la matière sombre avec le LHC, si le boson de Higgs peut se coupler à celle-ci. Mais la présence de matière sombre nous indique que le modèle standard ne suffit plus. Une autre physique est nécessaire, telle que la « gravitation quantique » qui nous permettrait de remonter le temps au-delà du temps de Planck.
D’autres théories sont déjà discutées comme la théorie des cordes. Son nom est du au fait que les particules seraient alors des petites cordes vibrantes. Il existe aussi la théorie des branes et les multivers.
Bref nous avons encore beaucoup à apprendre et le boson de Higgs n’est bel et bien qu’une étape. Il nous aidera peut-être à découvrir cette matière sombre ou la super symétrie ou encore des dimensions supplémentaires. Nous sommes à n’en pas douter au début d’une nouvelle ère de la physique.
« Pour l’esprit scientifique, tracer nettement une frontière, c’est déjà la dépasser ». (Citation de Gaston Bachelard, philosophe des sciences et de la poésie).
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