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Astrophysique : ces 3 découvertes récentes qui nous éclairent sur l’univers

Boson de Higgs : « Nous avons découvert l’origine de la matière dans l’Univers »

Yves Sirois, directeur de recherche de classe exceptionnelle (DRCE) au CNRS à l'École polytechnique (IP Paris)
Le 3 novembre 2021 |
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Boson de Higgs : « Nous avons découvert l’origine de la matière dans l’Univers »
Yves Sirois
Yves Sirois
directeur de recherche de classe exceptionnelle (DRCE) au CNRS à l'École polytechnique (IP Paris)
En bref
  • En 1964, les physiciens théoriciens Robert Brout, François Englert et Peter Higgs ont proposé un mécanisme appelé ‘champ de Higgs’, qui imprègne tout l'Univers.
  • Comme tous les champs fondamentaux, il est associé à une particule – dans ce cas, le boson de Higgs. Ce boson est la manifestation visible du champ de Higgs, un peu comme une vague à la surface de la mer.
  • Pendant de nombreuses années, il existait un problème majeur : aucune expérience n'avait jamais observé le boson de Higgs pour confirmer cette théorie.
  • Cependant, en 2012 le boson de Higgs a été enfin découvert au « Large Hadron Collider » (LHC), un accélérateur de particules situé au CERN.
  • Ce faisant, les chercheurs en physique des particules ont reproduit en laboratoire les conditions physiques des premiers instants de notre Univers.

Prédit pour la pre­mière fois en 1964 par les théoriciens, dont Peter Hig­gs et François Englert (prix Nobel 2013), pour expli­quer pourquoi cer­taines par­tic­ules ont une masse, le boson de Hig­gs a été décou­vert en 2012 au « Large Hadron Col­lid­er » (LHC). Cet accéléra­teur de par­tic­ules situé au CERN à la fron­tière fran­co-suisse a pro­duit la fameuse par­tic­ule lors de col­li­sions entre pro­tons de très haute énergie.

Lors de ces col­li­sions, le LHC a atteint une énergie record de 7000 GeV, per­me­t­tant aux chercheurs en physique des par­tic­ules de repro­duire en lab­o­ra­toire les con­di­tions physiques des pre­miers instants de notre Univers, soit une frac­tion de mil­liardième de sec­onde après le Big Bang. Ils ont ain­si pu attein­dre pour la pre­mière fois le moment où les par­tic­ules élé­men­taires qui con­stituent la matière ordi­naire sont apparues dans l’U­nivers naissant.

Le champ de Higgs

Les physi­ciens savent depuis les années 1970 que deux des qua­tre forces fon­da­men­tales de la nature – la force faible et la force élec­tro­mag­né­tique – sont étroite­ment liées. Ces deux forces peu­vent être décrites dans le cadre d’une même théorie, qui con­stitue la base du Mod­èle Stan­dard de la physique des par­tic­ules. Cette ‘uni­fi­ca­tion’ implique que l’élec­tric­ité, le mag­nétisme, la lumière et la radioac­tiv­ité sont tous des man­i­fes­ta­tions d’une seule force sous-jacente, con­nue sous le nom de force électrofaible.

Si les équa­tions de base de la théorie unifiée décrivent cor­recte­ment la force élec­tro­faible et les par­tic­ules qui la véhicu­lent, à savoir le pho­ton et les ‘bosons vecteurs’, W et Z, il y a un hic majeur : toutes ces par­tic­ules ressor­tent sans masse dans les cal­culs. Si le pho­ton est en effet sans masse, les W et Z ont une masse presque 100 fois celle d’un pro­ton. Pour résoudre ce prob­lème, les physi­ciens théoriciens Robert Brout, François Englert et Peter Hig­gs ont pro­posé un mécan­isme qui con­fère une masse aux par­tic­ules W et Z lorsqu’elles inter­agis­sent avec un champ invis­i­ble, appelé ‘champ de Hig­gs’, qui imprègne tout l’Univers.

Brisure spontanée de la symétrie électrofaible

Juste après le Big Bang, le champ de Hig­gs était nul, mais lorsque l’Univers s’est refroi­di et que sa tem­péra­ture est tombée en dessous d’une cer­taine tem­péra­ture cri­tique, le champ de Hig­gs a aug­men­té spon­tané­ment de sorte que toute par­tic­ule inter­agis­sant avec lui a acquis une masse. Plus une par­tic­ule inter­ag­it avec ce champ, plus elle devient lourde. Les par­tic­ules comme le pho­ton qui n’in­ter­agis­sent pas avec lui demeure sans masse alors que le W et le Z ont une masse.

Cette aug­men­ta­tion soudaine du champ de Hig­gs a con­duit à la rup­ture spon­tanée de la symétrie élec­tro­faible, avec pour con­séquence sai­sis­sante : l’in­ter­ac­tion faible se retrou­vait soudaine­ment véhiculée par le W et le Z tan­dis qu’est apparu en même temps le pho­ton de masse nulle, véhicule de l’in­ter­ac­tion élec­tro­mag­né­tique. Résul­tat : l’in­ter­ac­tion faible, respon­s­able de la radioac­tiv­ité, n’ag­it qu’à très courte dis­tance, alors que l’in­ter­ac­tion élec­tro­mag­né­tique a une portée infinie. Avec l’ap­pari­tion de la masse des par­tic­ules élé­men­taires, comme l’élec­tron ou les quarks, et celle de l’in­ter­ac­tion élec­tro­mag­né­tique, qui per­met de définir la charge élec­trique telle que nous la con­nais­sons, les ingré­di­ents néces­saires à la for­ma­tion des atom­es de la matière ordi­naire appa­rais­sent enfin dans l’Univers.

Fig­ure 1 : Vue trans­verse d’une extrémité du détecteur actuel CMS avec son « embout » au cen­tre à gauche. © CERN

La découverte du siècle

Comme tous les champs fon­da­men­taux, le champ de Hig­gs est asso­cié à une par­tic­ule – dans ce cas, le boson de Hig­gs. Ce boson est la man­i­fes­ta­tion vis­i­ble du champ de Hig­gs, un peu comme une vague à la sur­face de la mer.

Pen­dant de nom­breuses années, il exis­tait un prob­lème majeur cepen­dant : aucune expéri­ence n’avait jamais observé le boson de Hig­gs pour con­firmer cette théorie. Le 4 juil­let 2012, les grandes expéri­ences CMS et ATLAS à CERN, ont toutes deux annon­cé la décou­verte d’une nou­velle par­tic­ule dans la région de masse autour de 125 GeV.

Le Lab­o­ra­toire Lep­rince-Ringuet (LLR), avec le sou­tien du CNRS et de l’É­cole Poly­tech­nique, a été par­mi les prin­ci­paux pro­tag­o­nistes de cette ‘décou­verte du siè­cle’ au sein de la col­lab­o­ra­tion inter­na­tionale CMS. Il a depuis con­tribué à déter­min­er avec pré­ci­sion les pro­priétés intrin­sèques du boson H et ses cou­plages aux autres par­tic­ules élé­men­taires. Il a égale­ment pu con­firmer qu’il s’ag­it bien d’un boson ‘scalaire’, unique en son genre, car sans ‘spin’ : ce n’est ni une par­tic­ule de matière, tel l’élec­tron (spin = ½), ni le véhicule d’une inter­ac­tion tel le pho­ton (spin = 1). Les chercheurs du LLR ont égale­ment pu démon­tr­er que le boson H se cou­ple aux autres par­tic­ules de la matière avec une inten­sité pro­por­tion­nelle à leur masse.

Un programme intense d’améliorations

Les résul­tats actuels des expéri­ences ATLAS et CMS indiquent que le boson H sem­ble bel et bien pos­séder toutes les car­ac­téris­tiques de la par­tic­ule élé­men­taire prédite par le mécan­isme de brisure spon­tanée de symétrie à l’origine de la masse des par­tic­ules dans l’Univers. Pour mieux com­pren­dre ces résul­tats, nous devons mesur­er la manière dont le boson H se cou­ple avec lui-même. Dans la pra­tique, cela sig­ni­fie pou­voir accéder à la pro­duc­tion de paires de bosons H, ce qui ne sera pos­si­ble qu’en pous­sant au max­i­mum les per­for­mances du grand col­li­sion­neur pro­ton-pro­ton du CERN. Pour y par­venir, un intense pro­gramme d’amélio­ra­tion du col­li­sion­neur et des grands détecteurs de par­tic­ules est en cours en vue d’une nou­velle phase d’ex­ploita­tion du LHC à très haute lumi­nosité, appelée HL-LHC, à par­tir de 2027.

La lumi­nosité d’un col­li­sion­neur est une quan­tité pro­por­tion­nelle au nom­bre de col­li­sions sur­venant dans un inter­valle de temps. La lumi­nosité inté­grée pen­dant la phase HL-LHC devrait per­me­t­tre aux expéri­ences ATLAS et CMS d’aug­menter d’un fac­teur 10 au moins le nom­bre de col­li­sions enreg­istrées. Ce gain de sen­si­bil­ité devrait don­ner non seule­ment accès à la pro­duc­tion de paires de bosons H, mais aus­si per­me­t­tre d’é­ten­dre les recherch­es. Nous pour­rions ain­si observ­er, qui sait, la pro­duc­tion directe de matière noire (qui con­stituerait 27% de la matière de l’Univers et qui demeure une énigme pour les physi­ciens) ou les bosons scalaires addi­tion­nels prédits par divers­es théories allant au-delà du Mod­èle Stan­dard.

Un calorimètre innovant pour repousser les limites

 Le lab­o­ra­toire Lep­rince-Ringuet est impliqué dans le développe­ment de la mécanique et de l’électronique de déclenche­ment d’un nou­veau type de calorimètre pour l’expérience CMS à HL-LHC. Il s’agit de con­stru­ire deux détecteurs iden­tiques devant rem­plac­er les embouts actuels (voir pho­to ci-dessous) fer­mant les extrémités avant et arrière du cylin­dre for­mé par l’expérience, et qui devront sur­vivre à un envi­ron­nement extrême­ment hos­tile, avec des dos­es inté­grées de radi­a­tion atteignant 2 méga Gy et une flu­ence de 1016 neu­trons par cm2. Les détecteurs devront par ailleurs pou­voir affron­ter une fréquence de croise­ment des fais­ceaux de pro­tons de 40 MHz, tout en faisant le tri par­mi les cen­taines de col­li­sions qui se pro­duiront à chaque croisement.

La solu­tion adop­tée est néces­saire­ment par­ti­c­ulière­ment com­plexe. Il s’agit d’un calorimètre haute gran­u­lar­ité appelé HGCAL, avec des plans de lec­ture for­més de tuiles de sili­ci­um sur bases de tungstène et des plans d’absorbeurs en plomb.  La gran­u­lar­ité de ce nou­veau calorimètre est sans précé­dent en physique des hautes éner­gies, avec plus de 6 mil­lions de canaux de lec­ture par embout pour des cel­lules de sili­ci­um de 0,5 et 1,0 cm2, le tout ali­men­tant en sig­naux analogiques des puces élec­tron­iques à la pointe de la tech­nolo­gie dévelop­pées sur le site de l’IPP par le lab­o­ra­toire OMEGA.  Le HGCAL fourni­ra une recon­struc­tion com­plète de l’énergie, de l’impulsion et du temps de vol des dif­férentes par­tic­ules pro­duites au point de col­li­sion. Il sera un élé­ment déter­mi­nant pour la recon­struc­tion du flux des par­tic­ules créées par cha­cune des col­li­sions, avec un impact majeur sur toutes les analy­ses de physique à HL-LHC.

Auteurs

Yves Sirois

Yves Sirois

directeur de recherche de classe exceptionnelle (DRCE) au CNRS à l'École polytechnique (IP Paris)

Formé à Montréal au Canada et titulaire d’un Ph.D. de l’Université McGill, médaillé d’argent du CNRS en 2014 et élu Fellow de la Société européenne de Physique en 2019, Yves Sirois est physicien de l’expérience CMS au CERN et directeur depuis janvier 2020 du Laboratoire Leprince-Ringuet à l’Institut Polytechnique de Paris.