Le boson de Higgs

Dans la théorie quantique des champs, qui sert de cadre à la physique des particules, une particule correspond à un état excité du champ qui lui correspond, ainsi le boson de Higgs se comprend-il comme un état excité du champscalaire défini dans tout l'espace-temps, justement nommé champ de Higgs. C'est la particule que l'on peut détecter comme un état massif lorsqu'on excite ce champ. Il est scalaire, c'est-à-dire de spin 0, et sa masse mesurée est d'environ 125 GeV/c².

Dans la version symétrique du Modèle standard de la physique des particules, les particules élémentaires comme les électrons, les quarks, et les bosons W^± et Z⁰ sont sans masse. Pour qu'une particule puisse acquérir sa masse, sans violer les principes fondamentaux de la symétrie de jauge ou de la mécanique quantique, on doit invoquer son interaction avec le champ de Higgs. Ainsi, au fur et à mesure qu'une telle particule (initialement sans masse et donc se déplaçant à la vitesse de la lumière) se déplace dans le champ de Higgs, elle interagit avec lui et est alors ralentie, comme si elle « se frayait un chemin » dans un médium freinant son mouvement. Ce ralentissement (perte d'énergie cinétique) peut alors s'expliquer par l'acquisitionpar la particule d'une inertie (une masse inertielle), en vertu de l'équivalence masse énergie. C'est le mécanisme de Higgs. 

Chaque particule tire sa masse de l'intensité de son couplage avec le champ de Higgs.Plus une particule interagit fortement avec le champ de Higgs, plus elle est ralentie, et et plus elle a de masse.  Les particules fortement couplées (comme le quark top) sont lourdes, et celles faiblement couplées (comme l'électron ou les neutrinos) sont légères. Une particule qui n'interagit pas du tout avec le champ de Higgs, comme le photon (la particule de la lumière), n'a pas de masse et peut se déplacer à la vitesse maximale possible (la vitesse de la lumière dans le vide).

Le boson de Higgs est particulièrement difficile à produire car il est relativement lourd et instable, il se désintègre très rapidement en d'autres particules. Sa détection a nécessité des expériences à très haute énergie, capables de faire entrer en collision des particules (des protons dans ce cas) avec une énergie suffisante pour exciter le champ de Higgs et potentiellement produire un boson de Higgs. C'est au Grand Collisionneur de Hadrons (LHC) du CERN, près de Genève, que les collaborations d'expériences ATLAS et CMS ont finalement annoncé la découverte d'une nouvelle particule ayant les propriétés attendues du boson de Higgs en juillet 2012. UNe détection qui a reposé sur l'analyse statistique de ses canaux de désintégration (comme H→γγ, H→ZZ*, ou H→τ⁺Ï„^−). La découverte du boson de Higgs a été un événement majeur, car elle a confirmé l'existence du champ de Higgs et a validé le mécanisme par lequel les particules élémentaires acquièrent leur masse dans le Modèle standard, complétant ainsi ce cadre théorique.

On notera ici que le champ de Higgs ne confère pas leur masse à tous les objets de l'univers de la même manière. Ainsi, la majeure partie de la masse des protons et des neutrons, qui constituent les noyaux atomiques et donc l'essentiel de la masse des objets macroscopiques que nous voyons, ne provient pas directement de l'interaction avec le champ de Higgs. Elle provient principalement de l'énergie de liaison très forte entre les quarks et les gluons à l'intérieur de ces particules. Le champ de Higgs donne bien leur masse aux quarks et aux électrons, mais c'est l'énergie de leurs interactions fortes qui domine la masse des particules composites comme les protons et neutrons.

La compréhension complète du boson de Higgs est encore en cours, car plusieurs questions restent ouvertes : pourquoi sa masse est-elle si faible comparée à l'échelle de Planck (problème de hiérarchie)? Le champ de Higgs est-il fondamental ou composite (résultat d'une dynamique plus profonde)? Existe-t-il plusieurs bosons de Higgs, comme dans certains modèles (supersymétrie, 2HDM)? Son comportement est-il conforme aux prévisions exactes du Modèle standard ou y a-t-il des déviations (couplages anormaux, désintégrations rares)?