La plupart d'entre nous ont enseigné à l'école ou dans des livres que tous les matériaux qui nous entourent - tout ce que nous mangeons, buvons, respirons, tous les êtres vivants, la Terre elle-même - sont constitués d'atomes. Il en existe environ 100 types, appelés «éléments chimiques» et généralement organisés sous forme de molécules, tout comme les lettres peuvent être organisées en mots. Nous tenons ces faits concernant notre monde pour acquis, mais à la fin du 19e siècle, il y avait encore un débat houleux à ce sujet. Ce n'est que dans la région de 1900, lorsque, sur la base de plusieurs conclusions, qu'il est devenu possible de calculer la taille des atomes, et lorsqu'un électron a été découvert, une particule subatomique habitant les bords des atomes, que l'image atomique du monde a finalement pris forme.
Mais même aujourd'hui, certaines parties de cette image ne sont pas clairement visibles. Les énigmes restent irrésolues depuis cent ans. Et tout ce battage médiatique autour du «boson de Higgs» est directement lié à ces questions profondes qui sont au cœur même de notre existence. Bientôt, les parties floues de notre image deviendront plus claires et nous révéleront des détails sur notre monde qui ne sont pas encore clairs pour nous.
À l'école, nous avons appris que la masse d'un atome est principalement due à son petit noyau. Les électrons formant un nuage flou autour du noyau n'ajoutent à cette masse que le millième de sa partie. Mais ce qu'ils ne nous disent généralement pas, sauf si nous étudions la physique en profondeur, c'est que la taille d'un atome dépend principalement de la masse de l'électron. Si vous pouviez d'une manière ou d'une autre réduire la masse d'un électron, vous constateriez que les atomes se sont développés et sont devenus plus fragiles. Réduisez la masse d'un électron mille fois, et les atomes deviendront si fragiles que même la chaleur laissée par le Big Bang peut les détruire. Par conséquent, toute la structure et l'existence de matériaux ordinaires sont liées à une question apparemment ésotérique: pourquoi les électrons ont-ils une masse?
La masse de l'électron et son origine ont été déroutées par les physiciens depuis sa première mesure. De nombreuses découvertes liées à d'autres particules apparemment élémentaires faites au cours des cent dernières années ont compliqué et enrichi cette énigme. Premièrement, il a été constaté que la lumière est également constituée de particules appelées photons, qui n'ont aucune masse. Ensuite, le noyau atomique se compose de particules appelées quarks, qui ont une masse. Récemment, nous avons trouvé des signes que les neutrinos, des particules insaisissables se déplaçant dans les troupeaux des entrailles du soleil, ont également une masse, bien que très petite. Par conséquent, la question sur l'électron est entrée dans la catégorie des questions plus vastes: pourquoi les particules, comme les électrons, les quarks et les neutrinos, ont-elles une masse, mais pas les photons?
Au milieu du siècle dernier, les physiciens ont appris à écrire des équations qui prédisent et décrivent le comportement des électrons. Bien qu'ils ne sachent pas d'où provenait la masse de l'électron, ils ont constaté que cette masse était assez facile à intégrer manuellement dans les équations, et ont décidé qu'une explication complète de son origine apparaîtrait un peu plus tard. Mais quand ils se sont plongés dans l'étude de l'interaction nucléaire faible, l'un des quatre connus dans la nature, ils ont eu un grave problème.
Les physiciens savaient déjà que les forces électriques sont associées aux photons, et ont alors réalisé que l'interaction faible était associée aux particules appelées "W" et "Z". Mais en même temps, les particules W et Z différaient du photon sous forme de masse - elles sont comparables en masse à l'atome d'étain, plus de cent mille fois plus lourdes que l'électron. Malheureusement, les physiciens ont découvert qu'ils ne pouvaient pas incorporer manuellement les masses de particules W et Z dans les équations: les équations résultantes donnaient des prédictions sans signification. Et quand ils ont étudié comment l'interaction faible affecte les électrons, les quarks et les neutrinos, ils ont constaté que l'ancienne façon d'introduire la masse dans les équations ne fonctionne pas - elle brise également tout le système.
De nouvelles idées étaient nécessaires pour expliquer comment les particules élémentaires connues peuvent avoir une masse.
Ce mystère s'est progressivement manifesté dans les années 1950 et 1960. Et au début des années 1960, une solution possible est apparue - nous rencontrons ici Peter Higgs et d'autres (Braut, Englert, Guralnik, Hagen et Kibble). Ils ont proposé ce que nous appelons maintenant le «mécanisme de Higgs». Supposons, disent-ils, qu'il existe dans la nature un autre champ encore inconnu - comme tous les champs, c'est une certaine substance qui existe dans tous les domaines de l'espace - non nulle et homogène dans tout l'espace et le temps. Si ce champ - maintenant appelé champ de Higgs - est du bon type, sa présence fera que les particules W et Z afficheront de la masse, et permettra également aux physiciens de renvoyer la masse électronique aux équations. Cela retardera encore la question de savoir pourquoi la masse de l'électron est telle, mais au moins il sera alors possible d'écrire des équations dans lesquelles la masse de l'électron n'est pas égale à zéro!
Dans les décennies qui ont suivi, l'idée du mécanisme de Higgs a été testée de nombreuses manières. Aujourd'hui, à partir d'études détaillées sur les particules W et Z, on sait que la solution au casse-tête apparu en raison d'une interaction faible se situe quelque part dans ce domaine. Mais les détails de cette histoire nous sont inconnus.
Qu'est-ce que le champ Higgs, comment le comprendre? Il est invisible pour nous et nous ne le ressentons pas, comme un enfant ne sent pas l'air, ou comme un poisson - l'eau. Et encore plus - parce que si nous grandissons, nous commençons à prendre conscience du flux d'air autour de notre corps et à le ressentir à l'aide du toucher, aucun de nos sentiments ne nous donne accès au champ de Higgs. Non seulement nous ne pouvons pas le détecter à l'aide de sentiments, nous ne pouvons pas le faire directement à l'aide d'instruments scientifiques. Alors, comment pouvons-nous être sûrs qu'il existe? Et comment pouvons-nous espérer apprendre quelque chose sur lui?
L'analogie entre l'air et le champ de Higgs fonctionne bien dans l'exemple suivant: si vous dérangez l'un de ces deux médias, ils vibreront et créeront des vagues. Il est facile de créer de telles ondes dans l'air - vous pouvez crier ou battre des mains - et nos oreilles trouveront ces ondes sous forme de son. Dans un champ de Higgs, créer des vagues est de plus en plus difficile à observer. Pour ce faire, vous avez besoin d'un accélérateur de particules géant, Large Hadron Collider. Et pour les détecter, vous avez besoin d'outils scientifiques de la taille d'une maison, par exemple ATLAS ou CMS.
Comment ça marche? Le battement est sûr de créer des ondes sonores fortes. La collision de deux protons de haute énergie sur le LHC créera des ondes de Higgs très calmes, mais pas nécessairement - cela ne conduira qu'à une seule collision de dix milliards. L'onde résultante sera l'onde la plus silencieuse possible dans le champ de Higgs (en termes techniques, un quantum de ce type d'ondes). Nous appelons cette vague la «particule de Higgs» ou le «boson de Higgs».
Parfois, les médias l'appellent la «particule de Dieu». Ce terme a été inventé par un éditeur pour mieux vendre son livre, il vient donc de la publicité, pas de la science ou de la religion. Les scientifiques n'utilisent pas ce terme.
La création d'une particule de Higgs n'est qu'une partie du processus et relativement facile. C'est beaucoup plus difficile à trouver. Les ondes sonores se déplacent librement de vos paumes à travers la pièce jusqu'à l'oreille de l'autre personne. Et la particule de Higgs se désintègre en d'autres plus rapidement que vous ne pouvez le dire, le boson de Higgs. En fait, plus vite qu'il ne faut de lumière pour passer le diamètre d'un atome. ATLAS et CMS ne mesurent que les restes de la particule de Higgs explosée aussi soigneusement que possible et tentent de rembobiner ce qui s'est passé, comme des détectives qui dévoilent le cas en preuve pour déterminer si la particule de Higgs pourrait devenir la source de ces résidus.
En fait, c'est encore plus compliqué. Il ne suffit pas de créer une particule de Higgs, car ses restes ne peuvent pas être distingués. Souvent, la collision de deux protons conduit à l'apparition de fragments ressemblant à celui résultant de la désintégration d'une particule de Higgs. Alors, comment pouvons-nous établir qu'une particule de Higgs est apparue? La clé est que, bien que les particules de Higgs soient rares, leurs débris apparaissent assez régulièrement, tandis que d'autres processus se produisent souvent, mais de manière plus aléatoire. De la même manière que votre oreille peut reconnaître une voix chantante même en cas de fortes interférences à la radio, les expérimentateurs peuvent distinguer la sonnerie régulière du champ de Higgs parmi la cacophonie aléatoire créée par d'autres processus similaires.
Lancer tout cela est extrêmement difficile et difficile. Mais cela a été fait dans le cadre du triomphe de l'ingéniosité humaine.
Pourquoi alors se livrer à de tels exploits herculéens? En raison de l'extrême importance du champ de Higgs pour notre existence même. Seule notre ignorance sur son origine et ses propriétés peut être comparée à cette importance de taille. Nous ne savons même pas si un tel domaine existe; il peut y en avoir plusieurs. Le champ de Higgs peut lui-même être composite, composé d'autres champs. Nous ne savons pas pourquoi il est non nul, et nous ne savons pas pourquoi il interagit différemment avec différentes particules, et donne, par exemple, à un électron, la masse est complètement différente de celle du quark supérieur. Puisque la masse joue un rôle important non seulement dans la détermination de la taille des atomes, mais aussi dans de nombreuses autres propriétés de la nature, notre compréhension de l'Univers et de nous-mêmes ne peut pas être complète et satisfaisante, tant que le champ de Higgs reste si mystérieux. L'étude des particules de Higgs - des vagues dans un champ de Higgs - nous donnera une connaissance approfondie de la nature de ce champ, tout comme vous pouvez en apprendre davantage sur l'air des ondes sonores, sur une pierre - en étudiant les tremblements de terre et sur la mer - en regardant les vagues sur la plage.
Certains d'entre vous demanderont probablement (et à juste titre): tout cela est très inspirant, mais quel avantage peut-il apporter à la société dans un sens pratique? Vous n'aimerez peut-être pas la réponse. L'histoire a montré que les avantages sociaux de la recherche sur des questions fondamentales peuvent ne pas apparaître avant des décennies, voire un siècle. Je soupçonne que vous avez utilisé un ordinateur aujourd'hui. Je doute que lorsque Thompson a découvert des électrons en 1897, quelqu'un dans son cercle aurait pu deviner à quel point l'électronique pouvait changer la société. Nous n'espérons pas introduire la technologie du siècle prochain, ni comment les connaissances apparemment ésotériques acquises aujourd'hui peuvent affecter l'avenir lointain. Investir dans la recherche fondamentale est toujours un pari, mais basé sur les connaissances. Dans le pire des cas, nous apprenons quelque chose de profond et d'inattendu dans la nature. Une telle connaissance, bien que non valable en termes monétaires, est inestimable dans les deux sens.
Par souci de concision, j'ai simplifié quelque chose. Tout ne devait pas être comme ça. Il était possible que les vagues sur le champ de Higgs ne puissent pas être détectées - cela pourrait rappeler une tentative de créer des vagues sur un lac asphalté ou dans un sirop épais. Les vagues pourraient s'estomper avant d'être complètement formées. Mais nous en savons suffisamment sur les particules de la nature pour savoir qu'une telle option ne serait possible que s'il y avait d'autres particules et interactions non découvertes - et certaines d'entre elles pourraient certainement être trouvées sur le LHC. Soit la ou les particules de Higgs pourraient exister, mais de telle manière qu'elles seraient beaucoup plus difficiles à produire, ou elles pourraient se désintégrer d'une manière inattendue. Dans tous ces cas, il aurait fallu plusieurs années avant que le champ de Higgs ne commence à révéler ses secrets. Nous étions donc prêts à attendre, même si nous espérions ne pas avoir à expliquer aux médias toutes ces difficultés.
Mais nous étions inquiets en vain.
La découverte de la particule de Higgs marque un tournant dans l'histoire. Le triomphe de ceux qui ont proposé le mécanisme de Higgs et de ceux qui travaillent sur le LHC, ATLAS et CMS. Mais cela ne signifie pas l'achèvement de nos énigmes associées à la masse de particules connues - ce n'est que le début de notre espoir de résoudre ces énigmes. À l'avenir, l'énergie et le nombre de collisions sur le LHC augmenteront, et ATLAS et CMS étudieront de manière complète et systématique la particule de Higgs. Ce qu'ils apprennent peut nous permettre de résoudre les mystères de cet océan producteur de masse, dans lequel nous nageons tous, et de nous diriger plus loin sur le chemin épique qui a commencé il y a plus de cent ans, qui peut prendre des décennies et des siècles, et s'étend au-delà de notre courant horizons.