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Nobel de physique : « l'invention » du Higgs récompensée

Lauréats du prix Nobel 2013 de physique, François Englert et Peter W. Higgs sont les « pères du Higgs », le boson qui confère sa masse aux autres particules élémentaires. Le 4 juillet 2012, ce boson a été observé pour la première fois au LHC, l’accélérateur de particules du Cern (Organisation européenne pour la recherche nucléaire), à la frontière franco-suisse, confirmant la pertinence de leur théorie.

François Englert, « père » belge du boson © Pnicolet@en.wikipedia

C’est en 1964 que, de manière indépendante l’un de l’autre, le Belge François Englert, professeur émérite de l’université libre de Bruxelles, en Belgique, et le Britannique Peter W. Higgs, professeur émérite à l’université d’Edimbourg, en Ecosse, publient des articles proposant un mécanisme similaire d’acquisition de leur masse par les particules élémentaires. Ils ne sont pas seuls : outre leurs équipes, une troisième équipe, elle aussi indépendante, publie un article en 1964 sur le même sujet.

C'était d'ailleurs une question soulevée pour l'attribution du Nobel : fallait-il récompenser l'ensemble des scientifiques impliqués dans cette découverte ? Ou certains de ses représentants seulement ? Un prix Nobel ne pouvant être attribué à titre posthume, Robert Brout, mort le 3 mai 2011, ne pouvait être récompensé. Mais, à l'occasion de l'annonce du prix, François Englert a rendu hommage à ce collègue avec lequel il avait « travaillé toute sa vie ».

L’existence du boson de Higgs est capitale pour la science physique, puisqu’elle constitue le prolongement logique et attendu d’un édifice théorique, dit « modèle standard », que les physiciens élaborent depuis un demi-siècle. Ce modèle mathématique décrit les particules élémentaires (quarks, électrons, neutrinos...) et leurs interactions. Ses prédictions ont, à ce jour, toujours été vérifiées.

 

Peter W. Higgs, « père » du boson éponyme Né en 1929 à Newcastle, Peter W. Higgs a obtenu une thèse à l'université de Londres, au Royaume-Uni. Il est professeur émérite à l'université d'Edimbourg. © Claudia Marcelloni/Cern

Au-delà de cet apport théorique, les implications peuvent être très importantes pour l’astrophysique (notamment la définition de la matière noire) mais aussi pour la mécanique subatomique (notamment la définition de la gravité à l’échelle des particules).

C’est pour traquer le boson de Higgs que depuis le début des années 1980, des collisionneurs de particules de plus en plus puissants et, pour finir, le LHC, ont été construits.

Installé dans un anneau de 27 km enterré à 100 mètres de profondeur sous la frontière franco-suisse, près de Genève, le LHC (large hadron collider ou « grand collisionneur de hadrons ») est le plus puissant des accélérateurs de particules au monde. Son budget de construction de 7,5 milliards d’euros en fait aussi l’instrument scientifique le plus cher de l’histoire.

Le LHC est équipé de sept détecteurs de particules capables de voir jusqu’à 600 millions de collisions par seconde. Ses instruments génèrent 15 petaoctets (15 milliards de gigaoctets) de données par an, qui sont analysées par un réseau de 140 centres de calcul situés dans 35 pays. Le contraste est ainsi frappant entre le gigantisme du dispositif scientifique mis en œuvre et l'échelle infiniment petite de la découverte majeure du LHC : le fameux boson.

Portrait de groupe des pères de Higgs Même s’il ne porte que le nom de Higgs, le fameux boson a cinq autres pères. En 1964, en effet, trois équipes indépendantes l’ont décrit. En 2010, ce sont six physiciens (dont les cinq ici en photo) qui ont reçu conjointement le prix Sakurai décerné par la Société américaine de physique, un des plus prestigieux dans cette discipline. De gauche à droite : Tom W. B. Kibble (Imperial College, Angleterre), Gerald S. Guralnik (université Brown, États-Unis), Carl R. Hagen (université de Rochester, États-Unis), François Englert et Robert Brout, aujourd'hui décédé (tous deux de l’université libre de Bruxelles, Belgique). © Calude

Mais cet effort a trouvé son aboutissement attendu lorsque, le 4 juillet 2012, la découverte d’un « nouveau boson » a été annoncée. Une annonce d'autant plus saluée que la probabilité moyenne de la production d’un boson de Higgs est d’une chance sur... 65 milliards de collisions proton-proton ! Les traces de sa désintégration se trouvent donc noyées dans le « bruit de fond » généré par la production de multiples autres particules, et il faut procéder à leur analyse statistique pour distinguer le signal laissé par le boson.

Près de cinquante ans après les articles d'Englert, Higgs et leurs équipes respectives, la pertinence de leur théorie a ainsi été confirmée, même si de nouvelles expériences sont en cours pour confirmer ce résultat. Une étape expérimentale qui concerne, rien qu'en France, des centaines de chercheurs du CNRS et du CEA, sans compter les autres scientifiques présents ou partenaires de l'Organisation européenne pour la recherche nucléaire... Quant à Higgs et Englert, aujourd'hui âgés de respectivement 84 et 80 ans, ils figuraient parmi les candidats favoris au prix Nobel 2013.

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