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Lvnement

Boson de Higgs

La plusgrandedcouverte

du sicleLa dcouverte du boson de Higgs est aussiimportante pour lhistoire de la pensehumaine que la loi de la gravitation universelle

de Newton !, senthousiasme Carlo Rovelli,du Centre de physique thorique de Marseille-

Luminy. La thorie newtonienne, en son temps,

avait prdit lemplacement de Neptune avant

mme que les astronomes ne lobserventdirectement. La dcouverte du boson de Higgs(lire p. 10) signe le triomphe de ce quon appelle

le modle standard de la physique, qui a

prdit depuis quelques dcennies les dtails les

plus infimes du monde et qui a t labor avecpassion par les plus grands scientifiques ces

cent dernires annes (lire ci-contre). Grce

au Higgs comme lappellent familirement les

physiciens , des voies souvrent, permettantdexplorer la texture de lespace-temps

ou de plonger dans les premiers momentsde lUnivers (lire pp. 14-15). Azar Khalatbari

Cest le bouquet finaldune aventurequi a dbut ds les premires dcen-nies du XXesicle, le couronnementdun monument de la pense, patiem-ment labor coup daudaces, dedoutes et de travail acharn. Le toutinscrit dans la trame de lhistoire, surfond dhorreurs nazies, de souffrances

et dexodes, entrecoups de quelquesplages de quitude et de prosprit.Ce monument intellectuel a officiel-lement un nom bien modeste : lemodle standard de la physique des

particules . Il prtend expliquer lemonde dans ses ultimes dtails pardes raisonnements logiques, dcrirede quoi est faite la matire et quellessont les forces qui agissent sur elle.Il aurait pu rester hypothtique,comme un rcit de science-fiction.Mais toutes ses prdictions ont t

vrifies. De fait, ldifice intellectuel

ainsi labor reflte bien le rel. LeHiggs comme on lappelle tait la

dernire particule jouer les cachot-tires, prs de cinquante ans aprsque son existence eut t envisage.Elle vient enfin de trouver sa placedans le tableau des particules l-mentaires censes expliquer toute ladiversit de lUnivers. Sa dcouverte

par les quipes des expriences Atlas

et CMS du Cern (Laboratoire euro-pen pour la physique des particules),situ la frontire franco-suisse, vientmettre une touche finale lensembledu modle standard. Au-del de cette

validation scientifique extraordinaire,cest un pari fou qui se trouve specta-culairement couronn : parvenir expliquer le monde par la seule forcede la pense et la logique des math-matiques.Les hros de cette saga sont tous deslaurats du prix Nobel de physique :Rutherford, Planck, Einstein, Bohr,

Schrdinger, Heisenberg, Fermi,Pauli Certains, exprimentateurs

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Cest une particule aujourdhuidisparue qui tait prsente dansun pass extrmement lointain de

lUnivers, autour dun dix-milliardimede seconde aprs le Big Bang (soit10-10seconde), une poque o latemprature frisait les millions de milliardsde degrs (1015). Si elle a t vue auCern, cest parce que de telles nergiesont t atteintes au cur du LHC (grandcollisionneur de hadrons), recrant ainsiles conditions qui rgnaient alors. Maisavant dtre pig au LHC, le Higgs

est n dans limagination de scientifiques(Peter Higgs, Robert Brout et FranoisEnglert) qui lont estim indispensablepour rsoudre une nigme thorique :pourquoi certains bosons (cest ainsi quelon appelle les particules mdiatricesdune interaction) comme le photon le grain de lumire nont-ils pas demasse, alors que dautres, comme le W, enont une ? Qua-t-il donc bien pu se passerdans les premiers instants de lUniverspour quun tel phnomne puisse seproduire ? Peter Higgs subodore alorsquune nouvelle particule, qui prendra

son nom, a d interagir avec une intensitplus ou moins grande, avec toutes lesautres prsentes cet instant : certaines comme le photon ne se sont pasmles elle et sont restes sans masse,tandis que dautres, comme le W, se sontcouples avec elle et ont pris de la masse.Un bel chafaudage intellectuel qui vientdtre confirm. Mais comment le bosonlui-mme a-t-il acquis sa masse ? Pasfacile de rpondre simplement, expliqueLaurent Serin, directeur adjoint de lIN2P3,qui a longtemps travaill sur lexprience

Atlas. Avec le Higgs, apparat une nouvelleproprit qui est la masse. On pourrait direque la masse est due aux fluctuations de

lnergie du vide. De quoi sagit-il ? Levide qui rgne dans ces premiers instantsa un niveau dnergie qui varie sans cesse,comme le clapotis des vagues la surfacede la mer. Parfois, au gr du hasard, aucours dune de ces fluctuations, lnergiese matrialise, puisque nous le savonsdepuis Einstein masse et nergie sontdeux facettes dune mme entit. Cettematrialisation est prcisment la massedu Higgs. Cest comme sil avait interagi

avec lui-mme.

Quest-ce que leboson de Higgs ?

de gnie, dautres, frus de thorie,ont bti des constructions abstraiteset prdit lexistence de particulesinconnues observes parfois desdcennies plus tard. Dans la premiremoiti du XXesicle, le territoire decette recherche stend aux grandes

villes dEurope : Cambridge (Grande-

Bretagne), Zurich (Suisse), Vienne(Autriche), Gttingen (Allemagne),Paris Avant que la Seconde Guerremondiale ne fasse glisser le centre degravit du bouillonnement intellec-tuel au-del de lAtlantique, dans lesgrands laboratoires amricains. Les

premires briques de ldifice ont tposes ds 1906 : Joseph John Thom-son (prix Nobel 1906), du laboratoireCavendish de luniversit de Cam-bridge, met en vidence de petites

particules de charge lectrique nga-tive, les lectrons. Elles se nichent

au sein de latome, que lon consid-rait depuis le XIXesicle et la thorie

atomique du Britannique John Dalton comme lultime constituant de lamatire. La dcouverte de Thomsonchange donc la donne !Les physiciens ne sont pas aubout de leurs surprises. En 1911,le No-Zlandais Ernest Ruther-ford, qui travaille lui aussi au

laboratoire Cavendish, fait untrange constat : i l bo mbardeune feuille dor avec des billes si

petites des particules alpha (1) quelles devraient passer travers lesatomes de lor. Or il constate quunebille sur 8000 revient vers la source,

preuve quelle a rebondi sur unestructure inconnue. Il en dduit quelatome contient un noyau minus-cule. Nous le savons aujourdhui :si ce noyau avait la taille dun

petit pois, latome lui-mme auraitun diamtre dun kilomtre. Mais

Rutherford ne sarrte pas l : silatome comporte des charges

CERN

Une des traces du Higgs dont la dcouverte a tannonce le 4 juillet 2012 par le Cern vue icidans le dtecteur CMS, reprsent en bleu.La dcouverte de ce boson repose sur la dtectionde particules issues de sa dsintgration qui,

leur tour, se dsintgrent aussitt en lectrons(en vert) et muons (en rouge).

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Lvnement

Et Higgs entra dans lhistoire...

Une logique de poupes russes

jusqu la dcouvertedes quarks

ngatives, par le biais de llec-tron, il postule quau sein de ldificeexistent des charges positives

afin que la matire soit neutre lchelle macroscopique.En 1919, ses exprienceslui montrent une chosetrange : cest commesi tous les noyaux com-

portaient en leur seinune particule de charge

positive, aussitt bapti-se proton. Les charges

positives et ngativessquilibrent : latome estdonc bien neutre. Nul nirachercher plus loin jusquen

1932 et la dcouverte du Bri-tannique James Chadwick. Fait pri-

Ce jour du 4 juillet, ds laube,

cest leffervescence. Quils soient

Melbourne (Australie) pour la

confrence annuelle ICHEP (International

Conference on High Energy Physics) ou

Genve, un communiqu officiel du

Cern les a prvenus dune communication

importante : les physiciens savent dj

quils vont vivre une journe historique.

Aux quatre coins du monde, la plupart sontassis derrire leur ordinateur, attendant la

retransmission vido en direct de lannonce.

Et chacun retient son souffle : va-t-on savoir

si le boson de Higgs, prdit par la thorie, a

enfin t observ avec une certitude de plus

de 99,99999 %, soit une erreur infrieure

quelque dix millionimes, le fameux

5 sigma des physiciens ? Certains de

mes collgues se sont rveills trs tt dans

lespoir davoir une place dans la grande salle

de confrence du Cern, Genve, raconte

Christophe Grojean, thoricien qui

travaille dans linstitution europenne.

A 6 heures du matin, 200 personnes

attendaient dj devant la porte ! Mme siltait interdit, pour des raisons de scurit,

de se laisser enfermer dans la salle et

de dormir sur place, certains lont fait !

poursuit-il.Heureusement, javais une place

rserve , comme tous les physiciens en

lien direct avec les rsultats tant attendus

des deux expriences CMS et Atlas.

Lassemble est donc chauffe blanc

lorsque Joe Incandela, reprsentant CMS,

commence, comme prvu, son expos

9 heures. Mnageant le suspense, le

physicien met chacun sur des charbons

ardents. Car mme si toute lassemble

est intimement persuade quune nouvelle

particule a bel et bien t trouve, lesmembres dAtlas qui attendent leur

tour pour livrer leurs rsultats ignorent

encore la masse exacte trouve par CMS

et inversement ! Lannonce tombe enfin :

CMS rvle avoir observ une particule

125,3 GeV plus ou moins 0,6, avec

un degr de confiance de 4,9 sigma.

Autrement dit, quasi les 5 sigma requis !

La salle retient son souffle. A 10 h 30, cest

au tour de Fabiola Gianotti, porte-parole

dAtlas, de monter sur scne. Elle tente

de contrler son motion. Les diapositives

senchanent Lune dentre elles

dclenche un torrent dapplaudissements.Deux chiffres y figurent : 126 GeV et

5 sigma ! Dans la salle, tous les regards

se tournent vers Peter Higgs, prsent

au premier rang, pendant que le directeur

du LHC, Rolf Heuer, officialise

la dcouverte dune nouvelle particule qui

126 GeV et 5 sigma : lannonce de ces chiffres, le 4 juillet, a soulev lenthousiasmede la communaut scientifique. Rcit de la journe la plus folle de la physique.

Pour moi, c est vraimentincroyable Cest arriv

de mon vivant ! Peter Higgs, physicien

sonnier en Allemagne lors de la Pre-mire Guerre mondiale, ce jeune

tudiant de Rutherford laisse

son esprit senvoler durant sacaptivit. Mentalement, ilconoit des expriences,

quil met en uvre deretour Cambridge.Lune delles consiste envoyer des particulesalpha sur la matire :il observe alors unrayonnement inex-

pliqu et linterprtecomme le signe de lexis-

tence dune particuleneutre ayant la mme masse

que le proton, quil appelle leneutron. Une dcouverte qui lui

vaut le prix Nobel en 1935. Les phy-siciens savent donc dsormais quele noyau de latome comporte des

neutrons et des protons, particulesque lon dsigne sous le nom denuclons, dune taille denviron10-15mtre, soit un millionime de mil-lionime de millimtre.Cette avalanche de dcouvertes bou-leverse les thoriciens, qui sinter-rogent avec effervescence sur lanature de ces particules : sont-elles

vraiment similaires des billesou peuvent-elles parfois tre assi-miles des ondes ? Peut-on les loca-liser avec prcision ? A Berlin, MaxPlanck (prix Nobel 1918) met une

ide rvolutionnaire : dans ce mondesubatomique, les changes dner-

Cette dcouverte est un autregran on pour umanit

Michel Spiro, prsident du conseil du Cern

SIPA

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LCOCK

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Lors de la confrence du 4 juillet, desmembres de la direction du Cern saluent

la nouvelle de la dcouverte du Higgs(ci-contre). Les physiciens prsents

applaudissent les rsultats delexprience Atlas, prsents par

Fabiola Gianotti (ci-dessous).

ultimes constituants, il faut dployerbeaucoup dnergie. Autrement dit, taper de plus en plus fort sur la

matire pour en obtenir des dbristoujours plus petits, car les fameusesparticules alpha utilises par Ruther-ford ne font plus laffaire. Or la solu-tion a t fournie par Albert Einstein(prix Nobel 1921) quelques dcen-nies plus tt : les particules accl-res des vitesses proches de cellede la lumire (300 000 km/s) sontcapables de dployer des nergiesgigantesques : de quoi briser latomeen ses infimes fragments. Le premieracclrateur de particules, le Cyclo-tron, est alors invent par lAmricain

Ernest Orlando Lawrence (prix Nobel1939), professeur luniversit

gie seffectueraient de manire dis-continue, par paquets, quil appellequanta : terme qui donne son nom

la physique quantique. De son ct, leDanois Niels Bohr (prix Nobel 1922)tablit un modle de latome o leslectrons gravitent autour du noyausur des orbites circulaires, commeles plantes autour du Soleil Quant lAutrichien Erwin Schrdinger(prix Nobel 1933), il utilise les tra-

vaux du Franais Louis de Broglie(prix Nobel 1929) pour les consid-rer comme des ondes : pour lui, lalumire est une onde, et la matireaussi ! Une hypothse contre-intui-tive qui sduit les physiciens, tant

ces calculs prdictifs sont cohrentset mme lgants. LAllemand Wer-

ner Heisenberg (prix Nobel 1932)pousse encore plus loin : le grain dematire est insaisissable comme un

nuage de points, o chaque pointconstituerait une position probabledu grain Ds lors, les ds de lagrande aventure de la physique des

particules sont jets. Les matresmots en sont poupes russes (2) ,car la matire se rvle tre unensemble de constructions embo-tes, et prdiction , car la thoriestoffe au gr des dcouvertes et seconstruit grce des hypothses quise trouvent confirmes.Mais les physiciens sont confronts un nouveau dfi, technique cette

fois : pour atteindre le cur de lin-finiment petit et en surprendre les

Je suis trs impressionn par letravai u Cern. Et eureux parce

que je vais sans oute rencontrer Peter Higgsque je nai jamais vu ! Frano s Engler,physicien

serait compatible avec le Higgs . A Paris,o la confrence est retransmise au sige duCNRS, on apporte un tlphone JacquesMartino, directeur de lIN2P3 Institutnational de physique nuclaire et physiquedes particules. Au bout du fil, la ministrede la Recherche, Genevive Fioraso, tient

fliciter personnellement la composantefranaise de cette recherche, mene souslgide du CEA (Commissariat lnergieatomique) et de lIN2P3. Prochaine tape :sassurer que cette particule est bienle boson de Higgs lui-mme. Encore desannes de travail en perspective. A. Kh.

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Plusieurs dcennies ont t ncessaires pour

dvoiler le cur du noyau atomique, car

dployer de trs grandes quantits dnergie

implique de mettre au point des appareils de plus

en plus puissants et coteux. Une course lquipement rsume en quatre vnements cls.

1931Cyclotron de LawrenceDix centimtres de diamtre pour un

cot de moins de cinquante

dollars amricains, voil

lappareil, mis au point par le

physicien Ernest Lawrence en

1931, qui fait figure de trs

lointain anctre du Cern. Des

protons particules charges du

noyau atomique tournent de

plus en plus vite dans un champmagntique et atteignent une vitesse de 80 000 eV,

un million de fois plus faible quau LHC.

1932Gnrateur Cockcroft-WaltonLe gnrateur de particules

de John Douglas Cockcroft

et Ernest Thomas Walton

(prix Nobel 1951), mis au

point en 1932, a t lun

des premiers dispositifs

dvelopper assez dnergie

pour casser des atomes de

lithium et de bore. Ctait

la premire fois quunedsintgration artificielle

tait obtenue.

1981LEPPeu aprs la Seconde Guerre mondiale, dcision

est prise de construire un acclrateur en Europe.

Aprs le PS (synchrotron protons) en 1959,

le SPS en 1976, le projet du collisionneur lectrons-

positrons LEP (27 km de circonfrence, enfoui

100 mtres sous

la frontire franco-

suisse) est adopt

en 1981. Il afonctionn jusquen

2000, o il a laiss

la place au LHC.

1983TevatronLe Tevatron, acclrateur du Fermilab,

ou laboratoire national Fermi (Etats-Unis), est

le second acclrateur le plus puissant au monde,

avec un anneau de

6,4 kilomtres de

circonfrence. Son

nergie peut

atteindre jusqu

2 TeV, ce qui est toutde mme sept fois

moins que le LHC.

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80 ans dacclration

berg, aujourdhui luniversitdAustin (tous trois colaurats duprix Nobel 1979) annoncent unesurprenante hypothse, qui sera lorigine de la prdiction du bosonde Higgs. Pour la comprendre, ilfaut rappeler que quatre interac-tions expliquent aujourdhui tousles phnomnes : notre chelle,la gravitation et llectromagn-tisme rendent compte de la chutedes corps, des phases de la Lune,de llectricit, du magntisme etde la lumire. A lchelle du noyau,

linteraction faible expliquecertaines dsintgrations, tandis

que la forte assure la cohsiondes nuclons au sein du noyau. Or,daprs les trois physiciens, llec-tromagntisme et linteraction faible seraient les deux facettesdune mme interaction ! Dailleurs,

prdisent-ils, lorsque lUnivers tait

bien plus chaud et dense quau-jourdhui, des nergies dpas-sant 100 GeV, elles ne formaientquune seule et mme interaction lectrofaible . Puis, au fur et mesure que lUnivers sest refroidi etque sa temprature a baiss, elles sesont dcouples. Cette belle thorie

pose cependant un problme inso-luble : pourquoi la force lectroma-gntique aurait-elle des messagerssans masse (les photons) alors queles messagers de linteraction faible

sont massifs ?Cest l que le Britannique PeterHiggs entre en scne, en 1965 : avecdautres collaborateurs, le physicienmet lhypothse de lexistence dunenouvelle particule responsable decette diffrence de masse, le fameux boson de Higgs . Mais quellesnergies faut-il chercher cette parti-cule, considre ds lors comme lacl de vote de tout le modle stan-dard puisquelle explique la diff-rence de masse entre les particules ?La thorie napportant pas de rponse

sur ce point, commence une longuequte o toutes les nergies dispo-nibles au Cern et au Fermilab (de10 GeV 110 GeV) sont systmatique-ment explores et cartes. Pourlobtenir, il allait falloir unenouvelle machine capable de monteren nergie : le LHC le grand colli-sionneur de hadrons du Cern, dontla construction dura des annesavant sa mise en service en 2009.

Venues du monde entier, 5500 per-sonnes ont alors traqu la particule

au sein des deux expriences Atlas etCMS, une chasse ponctue de faussesjoies et de vrais espoirs, comme celuisurvenu fin 2011 lorsque des signauxont t reprs autour de 125 GeV(lire S. et A. no779, janvier 2012).Mais leffort fut payant : le Higgs oudu moins, pour linstant, une parti-cule compatible avec le boson de

Higgs est bien l ! A. Kh.

(1) Cest le noyau de latome dhlium,

mis par luranium radioactif, entre autres.(2) Limage de poupes russes est justifie

jusquau quark.

(3) Depuis 1998, une trs faible masse

a t trouve pour le neutrino.

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Lexprience CMS,lun des deuxdtecteurs departicules danslesquels a tdtect le bosonde Higgs.

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