Un peu de physique...

Mécanisme de Brout, Englert et Higgs

Le mécanisme de Higgs a été proposé au début des années 1960 par Robert Brout, François Englert et Peter Higgs pour expliquer la masse des bosons de l'interaction faible. Quelques années auparavant, Julian Schwinger et Sheldon Glashow avaient proposé de considérer l'interaction faible comme une théorie de jauge en s'appuyant sur la théorie de Yang-Mills. Ils s'étaient tous deux heurtés à une difficulté apparemment insurmontable : les bosons de jauge associés avaient une masse nulle et l'interaction faible aurait dû avoir une portée infinie. Glashow avait bien tenté de donner une masse aux bosons par un artifice théorique mais sa théorie ne cadrait plus avec le formalisme des théories de jauge : elle ne se conservait pas dans une transformation locale de jauge.

La solution a été apportée simultanément par Robert Brout et François Englert d'une part et par Peter Higgs d'autre part. Le mécanisme proposé pour expliquer la masse des bosons porte le nom de mécanisme BEH (ce sont les initiales de ses découvreurs). Elle consiste à supposer l'existence d'un champ scalaire, auquel la postérité a donné le nom de champ de Higgs (oubliant ainsi ses deux autres découvreurs) dont l'interaction avec le champ électrofaible brise la symétrie.

La physique classique est construite à partir de deux types de champ : les champs scalaires (température, pression...) et les champs vectoriels (champ électrique, champ magnétique, champ de vitesse...). La physique quantique en a ajouté un troisième : le champ spinoriel. En physique classique, un champ scalaire est défini par une grandeur physique à une dimension en chaque point de l'espace. La physique quantique a quelque peu brouillé les cartes en modifiant la définition. Un champ scalaire quantique est un champ de spin 0. L'existence d'un tel type de champ a été théorisée par Yoichiro Nambu et Jeffrey Goldstone au tout début des années 1960. Nambu et Goldstone travaillaient sur la physique de la matière condensée et, plus particulièrement sur la théorie de la supraconductivité. Le champ de Nambu-Goldstone n'intéressait cependant pas les physiciens des particules. Goldstone avait en effet supposé que le boson associé à ce champ avait une masse nulle (théorème de Goldstone).

La particularité de ce type de champ est qu'il peut avoir une énergie potentielle qui n'est pas minimale lorsque le champ est nul. Cela peut paraître contre-intuitif mais ce type de situation existe dans la physique que l'on peut qualifier de « traditionnelle ». C'est le cas, par exemple, du champ d'aimantation dans les matériaux ferromagnétiques. L'aimantation correspond à un état dans lequel le spin des électrons des couches extérieures est aligné. Cet état est stable à basse température. Dès lors que l'on dépasse la température de Curie, l'agitation thermique fait sortir le matériau de cet état. Si le champ est auto-couplé, l'énergie potentielle est en effet de la forme :

Lorsque la température ambiante est élevée, l'énergie cinétique des particules associées à ce champ l'emporte sur leur énergie potentielle. La valeur moyenne du champ est donc nulle (voir la courbe rouge de la figure ci-après). Le champ se trouve alors dans une situation parfaitement symétrique. Lorsque la température passe en dessous d'une certaine valeur, l'état correspondant à un champ nul n'est plus un état stable (courbe bleue de la figure ci-après). Le champ va naturellement avoir tendance à se fixer à une valeur qui minimise le potentiel V(Phi). Ce mécanisme est illustré par la deuxième figure : la bille bleue représente le champ lorsque l'énergie cinétique lui permet de conserver une valeur moyenne nulle. La bille rouge le représente après la transition. On remarquera qu'il n'y a plus de symétrie autour de l'axe vertical dans ce cas. C'est pourquoi les physiciens parlent de brisure de symétrie.

Le coup de génie de Brout, Englert et Higgs est d'avoir démontré que le couplage entre un champ scalaire du type de celui décrit par Nambu et Goldstone et le champ électrofaible pouvait conférer une masse effective aux bosons de l'interaction nucléaire faible. Celle-ci dès lors se différencie de l'interaction électromagnétique. La portée de l'interaction électromagnétique reste infinie alors que celle de l'interaction faible devient infinitésimale (10-17m).

Le champ de Higgs n'est pas un simple champ scalaire. Pour interagir avec le champ électrofaible, il doit s'exprimer dans le même espace que celui-ci. Autrement dit, il doit se présenter sous la forme d'un doublet de champs scalaires complexes :

Le champ de Higgs a donc quatre degrés de liberté. Trois d'entre eux sont absorbés par les bosons du champ électrofaible et leur confère une masse. La prise de poids soudaine des bosons de l'interaction faible peut être expliquée de la manière suivante. Le champ de Higgs interagit avec les bosons W et le boson Z alors qu'il n'interagit pas avec les photons. Or, l'énergie de l'interaction des bosons W et Z avec le champ de Higgs doit être prise en compte lorsqu'on calcule leur masse effective (la masse déduite de l'équation E = mc2). La portée d'une interaction varie en raison inverse de leur masse : l'interaction électromagnétique conserve donc une portée infinie (la masse du photon est nulle) alors que celle de l'interaction faible devient très faible.

Cette brisure de symétrie n'affecte pas que les bosons W et Z. Le quatrième degré de liberté du champ de Higgs donne naissance à un boson qui a lui aussi une masse : c'est le fameux boson de Higgs. (C'est Peter Higgs qui a proposé dès 1964 un moyen de le détecter et c'est pourquoi on lui a donné son nom.) C'est ce « quatrième degré de liberté » du champ de Higgs qui confère une masse aux fermions comme les électrons, les neutrinos ou les quarks. En interagissant constamment avec ces particules, il perturbe leur trajectoire et les ralentit. Le physicien David Miller utilise une image très parlante pour illustrer la prise de poids de ces particules. Il faut s'imaginer une salle de réception remplie de journalistes et de curieux. Une star entre dans la pièce avec l'intention de la traverser. Elle est aussitôt entourée de paparazzi et de curieux qui l'interrogent ou lui demandent un autographe. Ces interactions constantes la ralentissent considérablement. Les journalistes et les curieux représentent le champ de Higgs, la star est le fermion. La présence des paparazzi et des curieux lui donne une inertie considérable.

L'intensité du couplage du champ de Higgs avec les différentes particules varie dans des proportions considérables : le quark top a une masse de 175 GeV alors que la masse des neutrinos est si faible qu'il n'a pas encore été possible de la déterminer avec précision. Cette très grande dispersion reste un mystère non éclairci du modèle standard des particules.

Le boson de Higgs a été détecté pour la première fois par le grand collisionneur du CERN, le LHC, en 2012, 50 ans après la prédiction de Brout, Englert et Higgs ! Il est la clef de voûte du modèle standard des particules.

 

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