Mort de Peter Higgs : comment le boson de Higgs a changé notre compréhension de l'univers (et pourquoi il a ruiné la vie du physicien qui l'a découvert)

Ce texte a été initialement publié en juillet 2022 et mis à jour le 9 avril 2024 suite au décès du physicien Peter Higgs.

Le 4 juillet 2012, les chercheurs du Grand collisionneur de hadrons ont annoncé qu'ils avaient trouvé la dernière pièce d'un puzzle incomplet depuis 48 ans.

Le grand collisionneur de hadrons est la machine la plus grande et la plus complexe jamais construite ; la pièce trouvée est une particule du monde subatomique, et c'est l'une des composantes élémentaires de tout ce que nous connaissons.

Cette pièce est le boson de Higgs, et la preuve de son existence est l'une des plus grandes réussites de la physique moderne.

La découverte du boson de Higgs a complété le modèle standard, qui décrit l'ensemble des particules élémentaires qui composent tout ce que nous connaissons, ainsi que les forces qui interagissent entre elles pour les faire fonctionner comme des pièces de Lego qui s'emboîtent les unes dans les autres.

L'exploit du grand collisionneur de hadrons est l'aboutissement d'une aventure qui a commencé en 1964, lorsque le physicien britannique Peter Higgs a publié une théorie prédisant l'existence du boson.

Le scientifique est décédé mardi à l'âge de 94 ans.

Higgs lui-même a déclaré que le boson était "la seule bonne idée" qu'il ait jamais eue, et il a d'abord cru que sa théorie n'était rien d'autre que des calculs inutiles.

En réalité, la particule qu'il a théorisée, et dont l'existence a été prouvée par le collisionneur, a révolutionné la compréhension de notre univers.

Cette bonne idée a valu à Higgs le prix Nobel de physique en 2013 et, paradoxalement, a ruiné sa vie, comme il l'a lui-même raconté.

Lors d'une conversation qui s'est déroulée en 2022, à l'occasion du 10e anniversaire du test du boson de Higgs, deux experts ont expliqué comment cette minuscule particule nous aide à répondre à deux des grandes questions de l'humanité : d'où venons-nous et de quoi sommes-nous faits ?

Le modèle standard

Pendant longtemps, on a pensé que les atomes étaient les particules les plus élémentaires dont tout est fait.

Nous avons ensuite appris que ces atomes étaient en fait constitués de particules encore plus petites : les protons et les neutrons qui constituent le noyau de l'atome, et les électrons qui gravitent autour de ce noyau.

Mais aujourd'hui, nous savons que même ces protons et ces neutrons peuvent être divisés en particules encore plus petites.

Au total, on a détecté 17 particules fondamentales qui, en interagissant les unes avec les autres sous l'influence de forces, constituent l'ensemble de l'univers tel que nous le connaissons.

Cet ensemble de 17 particules et forces est connu sous le nom de modèle standard.

Ces particules sont divisées en deux grandes familles : les fermions et les bosons.

Fermions : ce sont les éléments constitutifs de l'univers tout entier. Ils sont comme des pièces de Lego qui, selon la façon dont elles sont combinées, forment différents atomes. Il existe 12 fermions, répartis en six quarks et six leptons. En d'autres termes, toute la matière que nous connaissons est constituée de combinaisons de quarks et de leptons. Ou plus généralement : tout ce que nous voyons est constitué de fermions.

Bosons : ce sont les particules qui véhiculent les forces qui font interagir les fermions. Il existe au total cinq types de bosons, chacun porteur d'une des trois forces fondamentales qui font interagir la matière :

1. Le gluon, porteur de la force forte qui maintient les quarks ensemble ;

2 et 3. Le boson W et le boson Z, porteurs de la force faible, qui entraîne la désintégration du noyau d'un atome et la formation d'un autre atome ;

4. Les photons, porteurs de la force électromagnétique.

Il existe également une quatrième force, peut-être la plus célèbre de toutes : la gravité.

Au niveau subatomique, la gravité est si faible que son influence peut être largement ignorée, ce qui explique qu'elle ne fasse pas partie du modèle standard.

Le modèle standard est donc presque complet : la famille des fermions interagit avec la famille des bosons pour constituer l'univers.

Mais il nous reste à parler du cinquième boson...

Qu'est-ce que le boson de Higgs ?

Nous avons déjà vu 12 fermions et 4 bosons, soit 16 des 17 pièces du modèle standard.

Il ne nous manque que la pièce qui complète le modèle : le boson de Higgs.

Le boson de Higgs est nécessaire pour répondre à une question clé : les particules telles que les quarks et les leptons ont une masse avec laquelle elles forment la matière. Mais d'où ces particules tirent-elles leur masse ?

La réponse est le champ de Higgs, un environnement invisible qui imprègne l'univers tout entier et confère une masse aux particules qui le traversent.

Dans ce champ de Higgs se trouvent les bosons de Higgs, qui confèrent leur masse aux particules composant la matière.

"La découverte du boson de Higgs nous a montré qu'il existe une chose étrange dans laquelle nous sommes tous immergés et qui est connue sous le nom de champ de Higgs", explique Frank Close, professeur émérite de physique théorique à l'université d'Oxford, à BBC Mundo.

"Tout comme les poissons ont besoin d'être immergés dans l'eau, nous avons besoin du champ de Higgs", explique M. Close, auteur du livre "Elusive : How Peter Higgs solved the mystery of mass" (Insaisissable : comment Peter Higgs a résolu le mystère de la masse).

En 1964, Peter Higgs a été l'un des premiers à théoriser l'existence d'un tel champ et le premier à prédire qu'une particule devait y être associée.

Mais ce n'est qu'en 2012, grâce au Grand collisionneur de hadrons, qu'il a été possible d'observer que cette particule, connue aujourd'hui sous le nom de boson de Higgs, existe bel et bien au-delà de la théorie.

Pourquoi cette découverte est-elle si importante ?

Pour Saúl Noé Ramos Sánchez, chercheur à l'Institut de physique de l'Université nationale autonome du Mexique, trois étapes majeures ont marqué la découverte du boson de Higgs et notre compréhension de l'univers.

1. La découverte du boson de Higgs nous a permis de comprendre l'ensemble des particules élémentaires qui composent notre univers.

"Toutes les particules qui composent nos atomes ont enfin été comprises, y compris leurs relations avec d'autres particules", explique Ramos Sánchez à BBC Mundo.

2. Une particule pas comme les autres a été découverte

Le boson de Higgs ne ressemble ni aux électrons, ni aux protons, et il est responsable de certaines interactions qui permettent de connaître la masse de ces particules.

En d'autres termes, le boson de Higgs est la pièce maîtresse qui nous explique pourquoi les autres particules sont telles qu'elles sont.

3. La théorie la plus précise qui existe a été réalisée

Ramos Sánchez affirme que le modèle standard "est la théorie la plus précise connue de l'humanité".

C'est la théorie la plus précise que l'on connaisse.

Close est du même avis : "À quelques exceptions près, il explique très bien tout ce que nous voyons".

L'avenir

Les experts s'accordent à dire qu'après ce 4 juillet 2012 historique, il n'y a pas eu d'autre découverte majeure en physique des particules.

Certaines expériences récentes menées au Grand collisionneur de hadrons et au Fermilab, un autre accélérateur de particules situé aux États-Unis, ont montré des signes de ce qui pourrait être une nouvelle particule ou une nouvelle force inconnue jusqu'à présent.

Si tel est le cas, cela pourrait remettre en question le modèle standard.

Cependant, les résultats de ces expériences ne sont pas concluants.

"Après la découverte du boson de Higgs, le modèle standard est plus solide que tout", déclare Ramos Sánchez.

Mais il est également vrai que le modèle standard ne répond pas à plusieurs questions.

Par exemple, il n'explique pas ce qu'est la matière noire, un composant mystérieux qui constitue 27 % de l'univers.

Elle n'explique pas non plus pourquoi il y a plus de matière que d'antimatière dans l'univers, ni pourquoi l'expansion du cosmos s'accélère.

Autre grande lacune : elle ne tient pas compte de la force de gravité.

Plusieurs théories ont été élaborées pour résoudre plusieurs de ces énigmes, mais aucune n'apporte de réponse convaincante.

Mais cela ne signifie pas que le modèle standard est erroné, affirment les experts.

"J'aimerais qu'il soit en crise", déclare Close.

"S'il était en crise, cela nous donnerait les indices dont nous avons besoin pour construire une grande théorie qui expliquerait ce qu'est tout cela", ajoute le professeur.

Le "problème" du modèle standard est qu'il fonctionne si bien.

"Nous savons que ce n'est pas la théorie définitive, mais c'est une description complète de tout ce à quoi nous avons accès jusqu'à présent."

Astuce mathématique

Selon Close, qui l'a interviewé pendant des années pour écrire sa biographie, Higgs a déclaré que le boson "est la seule bonne idée que j'aie jamais eue".

En fait, Higgs a d'abord pensé que sa découverte était "complètement inutile", selon Close.

"Il pensait avoir trouvé une simple astuce mathématique qui pouvait théoriquement donner une masse aux photons.

En outre, Higgs n'était pas particulièrement prolifique.

Sur l'ensemble de sa carrière, il n'a rédigé que 12 études, dont trois seulement concernaient le boson de Higgs et étaient d'une certaine importance. Les autres n'étaient pas pertinentes, explique M. Close.

"Et après cela, il n'a plus travaillé sur ce sujet, il n'a pratiquement rien fait d'autre dans cette direction", ajoute le professeur. Ce sont d'autres personnes qui ont repris ses idées et ont continué à les développer, stimulant ainsi tout l'enthousiasme qui a conduit à la construction du Grand collisionneur de hadrons.

"Higgs a changé l'idée du fonctionnement de l'univers, et c'est la seule chose qu'il ait faite de toute sa vie", déclare M. Close.

"Il est peut-être vrai que le boson était la seule bonne idée de Higgs, mais je me demande combien de bonnes idées nous avons tous ?

Au-delà du papier

En 1964, Higgs n'était pas le seul à travailler sur l'idée de l'existence de ce que nous appelons aujourd'hui le champ de Higgs.

Simultanément, d'autres scientifiques présentaient des études allant dans ce sens.

Cependant, Higgs a été le seul à réaliser que son idée mathématique était vraie, c'est-à-dire qu'elle était réellement présente dans la nature et qu'il ne s'agissait pas d'une simple astuce pour résoudre des problèmes théoriques.

"Son astuce mathématique suppose l'existence d'une chose étrange, que nous appelons le champ de Higgs", explique M. Close.

"Si ce champ est réel, nous devrions pouvoir le détecter, et le moyen de le détecter devrait être ce que nous appelons aujourd'hui le boson de Higgs.

"Higgs est la seule personne à l'avoir remarqué, c'est pourquoi le boson a été nommé à juste titre en son honneur.

"Il a ruiné ma vie".

Après que le Grand collisionneur de hadrons a confirmé l'existence du boson de Higgs en 2012, il était presque évident pour la communauté scientifique que le prix Nobel de physique 2013 irait à Higgs.

Higgs lui-même savait qu'il était le favori, alors le 8 octobre 2013, lorsque la grande annonce devait être faite, sa décision a été de... disparaître.

Il a quitté sa maison, pris un bus pour une ville voisine et s'est réfugié dans un bar pour boire une bière.

Lors d'une de ses interviews, Close a demandé à Higgs quel avait été l'impact de l'obtention du prix Nobel.

La réponse de Close le déstabilise.

"Cela a ruiné ma vie", lui a répondu Higgs.

"Mon existence relativement paisible est terminée, je n'aime pas ce genre de publicité, mon style est de travailler dans l'isolement et d'avoir de temps en temps une idée brillante", a poursuivi le physicien.

Cette façon d'être explique pourquoi il s'est enfui le jour de l'annonce du prix Nobel.

Selon Close, la clandestinité a cependant eu l'effet inverse de celui escompté par Higgs.

"Qu'est-ce qui est le plus attirant pour un journaliste ? demande Close. "Un homme qui gagne le prix Nobel et qui est là, prêt à être interviewé, ou quelqu'un qui gagne le prix Nobel et qui disparaît ?

En 2022, lorsqu'il a publié cette histoire, Peter Higgs vivait à la retraite à Édimbourg, en Écosse.

Il n'utilisait pas l'internet, seulement le téléphone, et vivait dans un immeuble sans ascenseur où il devait descendre 84 marches pour accéder à la rue.

Pour Close, tout cela montrait à quel point Peter Higgs était insaisissable, aussi insaisissable que le fameux boson qui a passé des années à se cacher et qui, lorsqu'il a été révélé, a changé à jamais notre perception de l'univers.