HIGGS BOSON DE
Du champ de Higgs au boson de Higgs
Signature du boson de Higgs
CERN
La première composante du champ de Higgs est ainsi entièrement absorbée par une redéfinition de l'état du vide. Quant à la seconde composante, elle devient comme tout champ quantique ordinaire une particule, le boson de Higgs H. La cohérence de la construction théorique impose que son spin et sa charge électrique soient nuls, et qu'il interagisse avec toute particule proportionnellement à sa masse. Ces propriétés constituent la signature particulière dont on recherche depuis des dizaines d'années la trace expérimentale. Quant à la masse de ce boson H, elle n'est pas prédite théoriquement mais des arguments convaincants imposent qu'elle soit inférieure à quelques centaines de fois celle du proton. En préparant les grands collisionneurs de particules, les physiciens pensaient donc sonder la matière (et le vide quantique) de façon suffisamment énergique pour fabriquer et détecter le boson H, s'il existait.
Le LHC et ses détecteurs
Le LHC (Large Hadron Collider, grand collisionneur hadronique) est un collisionneur de protons qui utilise la chaîne de préaccélération de faisceaux et le tunnel du précédent collisionneur (LEP) du Cern. L'énergie maximale prévue est de 7 téraélectronvolts (1012 eV) par faisceau avec une luminosité de dix à cent fois supérieure à celle du Tevatron, le collisionneur américain opérationnel de 1983 à 2011 à Batavia, dans l'Illinois. Situé dans un tunnel de 27 kilomètres de circonférence enterré entre 50 et 175 mètres de profondeur, le LHC comporte un millier de dipôles supraconducteurs, refroidis à 1,9 kelvin avec de l'hélium superfluide et traversés par un courant de plus de 10 kiloampères pour produire un intense champ magnétique. Les faisceaux sont constitués de quelques milliers de paquets contenant chacun environ 100 milliards de protons, chaque paquet mesurant quelques centimètres de longueur et une quinzaine de micromètres de diamètre aux points de croisement au centre des détecteurs. L'énergie totale de chaque faisceau de protons est de quelques centaines de mégajoules et la puissance électrique consommée est de l'ordre de 100 mégawatts. La nouveauté technique, et l'un des principaux défis technologiques du LHC, est l'utilisation de dipôles magnétiques supraconducteurs à double bobine opérant à 8,3 teslas.
Dès la première période d’exploitation (2008-2013), le LHC a surpassé les performances de son concurrent américain. Parmi les quatre principaux ensembles de détection installés aux points de collisions du LHC, ceux installés par la collaboration ATLAS et CMS sont optimisés pour la recherche de phénomènes nouveaux, et en particulier pour la découverte du boson de Higgs.
La découverte
Le 4 juillet 2012, les porte-parole d’ATLAS et de CMS présentent l'état de leur recherche dans le grand amphithéâtre du Cern lors d'un séminaire retransmis en direct par vidéoconférence. Les analyses indépendantes des deux équipes concordent sur l'essentiel. L'existence d'une particule nouvelle explique l'excès du taux de comptage de certains signaux tels que la production de deux photons, ou celle de quatre leptons (électrons ou muons). Ces canaux particuliers sont ceux que la théorie considère comme les plus emblématiques d'un boson de Higgs. Sa masse serait d'environ 125 gigaélectronvolts (GeV) dans les unités appréciées par les physiciens, soit 133 fois celle du proton. Invités d'honneur de cette présentation, François Englert et Peter Higgs ont commenté brièvement l'événement en rendant hommage au magnifique travail accompli par leurs collègues expérimentateurs, mais aussi par les ingénieurs et les techniciens qui ont permis à ce gigantesque instrument de mesure de fonctionner aussi bien. Le 1er août 2012, les articles sont envoyés pour publication[...]
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Écrit par
- Bernard PIRE : directeur de recherche émérite au CNRS, centre de physique théorique de l'École polytechnique, Palaiseau
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Peter Higgs
CERN
Signature du boson de Higgs
CERN
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