LHC : la physique à l'aube d'une nouvelle révolution ?

 

Masse et phénomène de Higgs

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On n'a été capable de développer une théorie de l'interaction électromagnétique que parce que le photon, particule responsable de cette interaction a une masse nulle. Comme les particules responsables de l'interaction faible (W et Z) sont très lourdes (180 000 fois la masse de l'électron), on ne pouvait pas utiliser la même démarche dans ce cas. Peter Higgs a trouvé une "astuce" pour résoudre ce problème, ce qui démontre du même coup que les interactions électromagnétiques et les interactions faibles (radioactivité), dont les manifestations sont en apparence très différentes, ne sont en fait qu'un seul et même phénomène, qu'on peut décrire par une théorie unique (appelée théorie électro-faible, qui a valu en 1979 le prix Nobel à Sheldon Glashow, Abdus Salam et Steven Weinberg). Tout repose sur la définition précise d'un état très particulier dans la nature : le vide.

Qu'y a-t-il dans le vide ?

La notion de "vide" est accessible au sens commun : il n'y a rien dans le vide. Cependant, c'est, en pratique, une notion délicate : on a longtemps débattu de l'horreur supposée de la nature pour le vide. Plus scientifiquement, lorsqu'on effectue le meilleur vide possible dans une enceinte, il est satisfaisant de vérifier que les ondes sonores ne s'y propagent pas, mais il est alors surprenant que les ondes lumineuses s'y propagent. Comment font-elles ? Qu'est-ce qui les porte ? Dès le XVII^e siècle, on a introduit en physique la notion "d’éther" : lorsqu'on pompe, on enlève tout, sauf l'éther ; le vide n'existe pas dans la nature, tout baigne dans l'éther. Mais la théorie de la relativité restreinte s'avère incompatible avec cette notion : si la lumière se propageait grâce à l'éther, alors sa vitesse par rapport à l'éther devrait être constante, et un observateur se déplaçant par rapport à l'éther devrait mesurer une vitesse de la lumière différente d'un observateur immobile. L'expérience montre qu'il n'en est rien.

L'explication moderne de la propagation de la lumière dans le vide fait appel aux particules chargées virtuelles, présentes à tout instant dans le vide. Par exemple, une paire électron-positon peut apparaître spontanément dans le vide, et disparaître presque aussitôt. Il en résulte que le vide contient en permanence des électrons et des positons, ce qui lui confère sa polarisabilité, c'est-à-dire en particulier sa capacité à transporter les ondes électromagnétiques.

Par ailleurs, l'énergie n'est définie qu'à une constante additive près : seules les différences d'énergie sont définies sans ambiguïté (voir en particulier l'énergie potentielle, ou le potentiel électrique). Mais pour qu'une théorie soit complète, il faut définir l'état d'énergie minimale (qu'on peut éventuellement choisir comme égale à 0). Jusqu'à un passé récent, le bon sens avait conduit à baptiser cet état "vide", et à postuler qu'il ne contient aucune particule directement observable (c'est-à-dire qu'il ne comprend que des particules virtuelles). Cependant, lorsqu'on cherche à être plus rigoureux, on s'aperçoit que la définition du vide est ambiguë. Qui plus est, il est mathématiquement possible que l'état d'énergie minimale contienne des particules non virtuelles.

Remarquons cependant que l'on ne peut pas isoler et observer directement l'une quelconque de ces particules (bien qu'elles ne soient pas virtuelles), à moins de fournir de l'énergie. En effet, il faut pour cela s'éloigner de l'état d'énergie minimale. En ce sens, l'état d'énergie minimale, qu'on continue à appeler "vide" par abus de langage, correspond toujours à l'acception courante du terme.

Phénomène de Higgs

Higgs a postulé, qu'à cause du vide, les particules W et Z ont une masse, et les manifestations des interactions électromagnétiques et faibles sont très différentes à basse énergie. On suppose en fait l'existence d'une ou de plusieurs espèces de particules (appelées depuis particules de Higgs), présentes dans l'état d'énergie minimale. Lorsqu'un W ou un Z se trouve dans le vide, il est en fait en interaction constante avec les particules de Higgs qui l'entourent, et ce sont ces interactions qui lui confèrent sa masse, en contraignant sa mise en mouvement lorsqu'on applique une force.

On explique ainsi la masse de toutes les particules. La diversité de ces masses résulte de la diversité des intensités d'interaction (on dit "couplages") entre les diverses particules et les particules de Higgs. Remarquons que cette interaction n'est pas une force de frottement (qui serait, elle, proportionnelle à la vitesse et pas à l'accélération).

La hiérarchie...

Ce développement théorique permet d'expliquer les masses par un phénomène unique, relativement simple à décrire. C'est un progrès très important. Cependant, il ne fournit aucune explication au fait que les masses sont différentes d'une espèce à l'autre : il dit seulement que cela vient du fait que les couplages aux particules de Higgs sont différents. De plus, on ne peut pratiquement rien dire de la masse de la particule de Higgs. Cependant, l'idée brillante de Higgs cesserait d'expliquer quoi que ce soit si cette masse devait être supérieure à environ 2 millions de fois la masse de l'électron.

D'autres développements théoriques disent qu'il pourrait exister plusieurs types de particules de Higgs, certains lourds et d'autres légers. Cela fournirait une explication naturelle aux grands écarts de masse des particules.