Le boson de HIGGS par Étienne KLEIN ou l’illusion de la masse

Les lois de la physique sont confrontées au réel. Souvent les observations contredisent des lois parfois acceptées depuis des siècles. Ainsi, avant Galilée, pensait-on que plus un corps était lourd, plus il tombait vite vers le sol. Le physicien italien avança en 1604 que ce constat était faux : la vitesse de la chute des corps (dans le vide) est indépendante de leur masse. Ainsi, sur la lune, une feuille de papier et une boule de pétanque, lâchées au même moment, atteindrait le sol lunaire exactement en même temps. Sur terre, le frottement de l’air agit différemment sur la feuille de papier et sur la boule de pétanque laissant croire (à Aristote notamment) que la masse intervient dans la vitesse de la chute des corps. Or, pour ce qui concerne la force de gravitation (qui est à la force qui attire les corps vers le bas), la masse n’intervient pas. De même, si on remplaçait la Terre par une pomme, elle aurait exactement la même trajectoire autour du soleil. Le réel (l’expérience de Galilée) a permis de modifier notre compréhension du monde.

Galilée, symbole de la rupture scientifique du XVIIe siècle |  Lelivrescolaire.fr
expérience de Galilée au XVIIème siècle

De même, jusqu’en 1960, on pensait que la masse était consubstantielle à la matière (la matière avait forcément une masse). On n’imaginait pas une pomme de masse nulle (ni une particule comme un électron ou un proton). Les mesures avec les appareils de l’époque semblaient confirmer cette affirmation. On savait qu’Il existait aussi dans la nature quatre types de forces (voir ci-dessous).

Les quatre forces fondamentales

La force nucléaire faible (responsable de la radioactivité) a été mise en équations. Or ces équations laissaient supposer que les particules (les médiateurs de la force nucléaire faible que l’on appelé les bosons intermédiaires) avaient une masse nulle ! Pourtant, les mesures continuaient de montrer que ces médiateurs avaient une masse très élevée, de l’ordre de 100 fois celle d’un proton ! Il y avait une contradiction entre la loi (qui donnait des masses nulles) et l’observation. Les lois (les équations de la force nucléaire faible) étaient-elles fausses ou y avait-il, dans le réel, quelque chose que l’on n’avait pas vu avec les mesures ? Tout le monde alors penchait pour la première option, car il était évident que les particules avaient une masse !

A l’été 1964, trois physiciens (2 Belges et un écossais (HIGGS)) se sont souvenus de Galilée. Peut-être que les lois étaient justes : les particules de matière n’avaient en fin de compte pas de masse ! La masse serait une propriété secondaire de la matière qui résulterait de l’interaction des objets avec le vide (qui ne serait donc pas vide). Il faudrait ajouter à la réalité « quelque chose » qui freinerait les objets donnant à l’observateur l’illusion de la masse. HIGGS et ses confrères ont donc ajouté à la réalité des particules (des bosons) qui peupleraient le vide en tous points, tel un champ peuplé de coquelicots : un champ de bosons de HIGGS. A quoi cela pouvait-il ressembler ?

Pour imager le champ de bosons de HIGGS, Étienne KLEIN propose la métaphore de la piste de ski neige. Les particules (électrons, neutrons, protons…) seraient des skieurs chaussés de skis plus ou moins bien fartés. Les cristaux de neige représenteraient les bosons de HIGGS. Certains skieurs « biens fartés » avanceraient alors sans entrave à grande vitesse et les autres seraient freinés. Les particules dites « massives » seraient celles qui auraient des skis mal fartés qui frotteraient davantage sur la neige. La masse traduit ainsi la qualité du fartage. ce n’est pas une propriété du skieur mais le résultat du mauvais fartage de ses skis.

Comment prouver l’existence du boson de HIGGS ?

Le vide n’est pas vide. Il contient en profondeur l’espace-temps. Et juste, au dessus, des particules virtuelles, fatiguées, qui existaient dans le passé, mais qui n’ont plus assez d’énergie pour exister aujourd’hui. Dans l’accélérateur de particules (LHC), les collisions de protons permettent de générer de l’énergie qui est transférée aux particules fatiguées qui surgissent alors dans la réalité.

Le LHC

On peut ensuite les observer : la fusion de deux gluons donne un boson de HIGGS qui va de désintégrer en deux quarks bottom. L’expérience a été réussie en 2012 : le boson de HIGGS existe donc et les particules n’ont pas de masse.