​Qu’est-ce que le boson de Higgs et pourquoi dit-on qu’il est la clé de voûte de la compréhension théorique des constituants élémentaires de l’Univers ?

L’étude des constituants élémentaires de l’Univers fait l’objet de recherches menées en physique des particules. Nos connaissances actuelles reposent sur un modèle qu'on appelle le modèle standard de la physique des particules. Il décrit en une seule équation le contenu en particules élémentaires de l'Univers ainsi que leurs interactions.

A la fin des années 60, c'était un modèle très satisfaisant car on le disait prodigieusement prédictif, c’est-à-dire que toutes les valeurs calculées grâce au modèle étaient vérifiées par les mesures des expériences. Néanmoins, pour respecter certaines propriétés fondamentales de l'Univers, l'équation imposait que les particules décrites par le modèle soient toutes de masse exactement nulle.

Or, cela est expérimentalement contredit, en particulier avec les particules qu'on appelle les bosons W et Z qui s'avèrent massifs. Les théoriciens, en particulier François Englert, Peter Higgs et Robert Brout, ont donc « retravaillé » le modèle. Ils y ont ajouté, en 1964, une nouvelle particule, le fameux boson de Higgs, manifestation physique du mécanisme de Higgs, qui, au tout début de l'Univers, a permis aux particules élémentaires d’acquérir leur masse proportionnellement à l’intensité de leur interaction avec lui.

Depuis cet ajout théorique, les physiciens se sont mis à traquer expérimentalement cette particule pour démontrer son existence et vérifier la cohérence du modèle standard. 

Comment a-t-on fait pour observer expérimentalement le boson de Higgs ?

Pour débusquer le boson de Higgs, dernière pièce manquante du modèle standard, les physiciens et ingénieurs des collaborations internationales au Cern et des industriels ont conçu et construit l’accélérateur de particules le plus puissant au monde, le LHC, situé sous la frontière franco-suisse, ainsi que des gigantesques détecteurs. Les premières collisions ont démarré en 2009.

Les équipes du CEA sont impliquées depuis le début et le sont encore aujourd’hui à la fois sur l’accélérateur et les détecteurs CMS et Atlas.

La quête des chercheurs a consisté à faire circuler en sens opposé dans le LHC des particules (des protons) à des énergies très élevées (entre 3,5 et 6,5 TeV) puis à observer, dans des détecteurs, leurs collisions qui produisent d’autres particules, dont le boson de Higgs. Le boson de Higgs se désintègre sitôt créé en d’autres particules qui peuvent aussi être instables et qui vont à leur tour se désintégrer jusqu’à donner des particules suffisamment stables pour pouvoir être détectées. Pour ce faire, on utilise le principe suivant : si on ne peut pas voir les particules directement, en revanche, on peut reconstruire leurs traces, c’est-à-dire les signaux mesurables qu’elles laissent en interagissant avec la matière des détecteurs.

Autre difficulté : le boson de Higgs se désintègre en particules du même type que celles produites en abondance au cours des collisions de particules. Si l’on repère une paire de photons (l’un des états finaux de la désintégration du boson de Higgs), cela ne prouve pas que le boson de Higgs existe et a été produit lors de l’expérience. C’est d’autant plus vrai que le boson de Higgs n’est créé qu’une fois sur dix milliards dans ces collisions. Pour des phénomènes peu probables comme la production d’un boson de Higgs, il est donc nécessaire d’avoir un volume considérable de données pour obtenir des résultats fiables.

Deux des 4 détecteurs du LHC, Atlas et CMS, sont dédiés entre autres à l’observation du boson de Higgs et enregistrent, chaque seconde, les données de centaines de millions de collisions de particules. Ces deux détecteurs effectuent les mêmes recherches en parallèle. Conçus suivant les mêmes principes, ils sont technologiquement très différents afin d’assurer le respect de la démarche scientifique, notamment pour vérifier la reproductibilité des observations.

En effet, en cas de découverte d'un phénomène nouveau, il est indispensable de l'observer dans au moins deux expériences différentes pour s'assurer qu'il ne s'agit pas d'un artefact expérimental.

A partir des années 2000, les masses du boson W et du quark top étant connues grâce aux mesures des expériences au Fermilab (le dernier collisionneur proton-antiproton situé aux Etats-Unis et fermé en 2011) et au LEP (le collisionneur électron-positron précédant le LHC au Cern), les chercheurs savaient où aller « chercher » le Higgs, à savoir entre 110 et 160 GeV.

Identifié dans Atlas et CMS, autour de 125 GeV, le boson de Higgs est présenté au monde entier le 4 juillet 2012. Sa découverte sera récompensée par le Prix Nobel de physique décerné à François Englert et Peter Higgs en 2013.

Qu’a permis d’apprendre et/ou de confirmer la découverte du boson de Higgs ?

La découverte du boson de Higgs a mobilisé sur des décennies de nombreux scientifiques de différents organismes dont le CEA. Elle constitue un progrès majeur dans notre compréhension de l’infiniment petit, plus particulièrement de l’origine de la masse des particules grâce à une structuration nouvelle de l’ensemble du vide de l’Univers. Elle marque le début d’une nouvelle ère en physique des particules. Mesurer avec une extrême précision les propriétés du boson de Higgs est un outil puissant pour rechercher une physique au-delà du modèle standard.

Quelle a été la contribution du CEA à cette découverte ?

L’expertise scientifique, technologique et technique du CEA, via son institut de recherche sur les lois fondamentales de l’Univers (Irfu), a été sollicitée par le Cern dès la conception du LHC. Depuis les années 1990, le CEA a ainsi investi l’équivalent de 14 hommes-siècles (14 hommes à plein temps pendant 100 ans). Au plus fort de l’activité, 200 collaborateurs sur les 600 que compte l’institut ont travaillé à la conception des pièces maîtresses et leur électronique associée des détecteurs CMS et Atlas : l’aimant solénoïdal et le calorimètre du premier ; l’aimant toroïdal, le spectromètre à muons et le calorimètre à argon liquide du second. Elles ont également contribué aux aimants de l’accélérateur, à sa cryogénie, sans oublier la physique des particules. Aujourd’hui, plusieurs dizaines de physiciens, de techniciens et d’ingénieurs du CEA-Irfu poursuivent la collaboration.

Aujourd’hui, 10 ans après sa découverte, quelles recherches sont menées ? Quelles questions perdurent encore ?

Après plus de trois ans de travaux d'amélioration et de maintenance, le LHC va recommencer le 5 juillet 2022, à produire des collisions de protons pour les expériences, à une énergie inédite de 13,6 TeV (phase appelée Run3 dans la vie du LHC).

Depuis la découverte du boson de Higgs en 2012 et avec les données accumulées depuis, on sait que l’interaction avec le champ de Higgs est bien à l’origine de la masse des particules médiatrices des interactions et des particules de matière, les quarks et les fermions, au moins pour les plus massives. Les observations sont en accord avec la prédiction du modèle standard.

Mais de nombreuses questions restent ouvertes et font appel à d’autres modèles, dits au-delà du modèle standard.

Quelques exemples parmi d’autres pistes :

• La masse du boson de Higgs n’est pas prédite par la théorie. Néanmoins des arguments théoriques favoriseraient une masse bien plus élevée que 125 GeV. Dans le cadre du modèle standard, il est très difficile de comprendre pourquoi la masse du boson de Higgs est aussi légère.
• A partir des masses connues du boson de Higgs et du quark top, le modèle standard peut prédire celle du boson W. Seul le LHC mesure simultanément ces 3 masses (mW, mH et mt). Afin de tester le lien théorique entre ces 3 masses, la masse du boson W doit être mesurée avec une précision extrême, de l’ordre de 0,01%. Obtenir une telle précision n’est possible qu’à travers un lot considérable de données. Il s’agit là d’un des enjeux majeurs pour le Run3 du LHC.
• Dans le cadre du modèle standard, l’intensité des interactions quantiques entre fermions et particules médiatrices des interactions est identique pour les trois familles de fermions, en particulier pour les 3 familles de leptons : électron, muon, tau. On parle d’universalité de la saveur leptonique. Ainsi la probabilité de désintégration des quarks b en leptons ne dépend du type de lepton qu’à travers la masse de ce dernier. Or, certaines mesures mettent en évidence des inconsistances entre muon et électron d’une part, et tau et muon/électron d’autre part, questionnant l’universalité de la saveur leptonique, au cœur du modèle standard. Ce type de phénomène peut également être étudié dans les interactions du boson de Higgs avec les différentes familles de quarks et de leptons. En effet, dans le modèle standard, seul le boson de Higgs discrimine les différentes familles. Le secteur du Higgs est donc privilégié par les physiciens pour trouver la nouvelle physique.

Et demain, quels successeurs pour le LHC ?

Le High-luminosity LHC (HL-LHC), dont le démarrage est prévu en 2029, est conçu pour accroître d’un facteur 10 la luminosité du LHC, c’est-à-dire le nombre de collisions de particules. Qui dit plus de collisions, dit plus de données. Il produira, par exemple, 15 millions de bosons de Higgs par an, contre 3 millions en 2017. Des chiffres vertigineux qui n’en demeurent pas moins faibles au regard du nombre de collisions dans le LHC, à savoir 1 milliard par seconde ! C’est dire combien la production d’un boson de Higgs est rare.

En parallèle, la communauté européenne pour la physique des particules, a mis à jour sa stratégie en juin 2020, et conclut que sa priorité, dans un monde idéal, serait de construire un grand collisionneur plus ambitieux encore que le LHC ou le HL-LHC, permettant dans une phase ultime d'aller à très hautes énergies, jusqu'à 100 TeV (soit environ 8 fois plus que les énergies actuellement en jeu au LHC), pour explorer un domaine de masses encore plus élevées, au-delà du TeV. Et essayer de percer les mystères des premiers instants de notre Univers.