Donner une masse aux particules : Brout, Englert et Higgs à la rescousse – Osons le Boson pour tous !

Que la masse soit !

inforsciences — Fri, 04 Oct 2013 13:02:03 +0000

Pour donner une masse aux particules élémentaires, il faut faire preuve d’ingéniosité, et c’est ce qu’ont fait Robert Brout, François Englert et Peter Higgs en 1964.

Photographies de Robert Brout, François Englert et Peter Higgs

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Il faut donc utiliser une astuce pour donner de la masse aux particules. Et ce truc est ce que l’on appelle une « brisure de symétrie ».

Commençons par expliquer ce qu’est une symétrie. Une symétrie est une opération qui laisse le système invariant. Mais encore ? Prenez par exemple un ballon parfaitement sphérique et blanc qui sera notre système. L’opération que nous allons effectuer est une rotation. Tournez le ballon dans n’importe quelle direction et observez le à nouveau. Vous n’aurez pas l’impression que quelque chose a changé car le ballon est le même quel que soit l’angle sous lequel vous l’observez. Il y a donc une symétrie dans le système.

Passons maintenant à la brisure. Reprenons l’exemple du ballon et dessinons maintenant un motif sur celui-ci. Vous ne pourrez plus tourner ce dernier sans vous en rendre compte. Les motifs que vous observez avant et après l’avoir tourné ne sont plus les mêmes car le dessin bouge avec le ballon. La symétrie que nous avions est donc brisée.

Comment une symétrie brisée peut-elle donner de la masse aux particules ?

Utilisons toujours notre analogie du ballon mais dessinons maintenant un point sur celui-ci. Ce faisant, la symétrie est brisée comme nous l’avons vu. De plus, si vous faites tourner le ballon très rapidement sur lui même, le point semble former une ligne. Nous avons donc fait apparaître une ligne à partir du point qui brisait la symétrie.

Dans le Modèle Standard, la symétrie est brisée car l’équation n’est plus… symétrique. Une équation possède une symétrie si en modifiant certains de ses ingrédients on peut retrouver la formule de départ. Ce qu’ont proposé Brout, Englert et Higgs en 1964 est de briser une symétrie du Modèle Standard. Lorsque l’on écrit mathématiquement cette brisure de symétrie et que l’on l’insère dans le Modèle Standard, les particules acquièrent de la masse.

Et une nouvelle particule aussi !

inforsciences — Fri, 04 Oct 2013 12:47:01 +0000

La masse n’est pas la seule chose qui apparaît. En plus de cela, la brisure de symétrie fait dire au modèle qu’il doit exister un nouveau champ de particules, ou plus simplement une nouvelle particule. Et c’est via celle-ci que la masse est donnée aux autres. Cette particule véhicule donc une information concernant une propriété de la matière. Il s’agit d’une particule messagère, d’un boson : le boson de Brout-Englert-Higgs.

Donc il existe une équation qui permet de décrire toutes les interactions entre les particules, c’est le Modèle Standard. Si maintenant on « plie » cette équation d’une certaine manière, on donne de la masse aux particules et on crée une nouvelle particule !?

Exactement ! Mais ce n’est pas tout, cette nouvelle particule a également une masse. Devinez qui lui donne sa masse… et bien son propre champ de particules.

OK, admettons que l’on ait une nouvelle particule, mais comment les électrons savent-ils à partir de cela quelle est leur masse ?

Au plus une particule interagit avec le boson de Brout-Englert-Higgs, au plus cette particule est massive. Voici une petite analogie pour mieux se représenter cela. Considérez une place publique remplie de monde. Deux personnes veulent la traverser. L’une d’elle est monsieur tout-le-monde, l’autre est une célébrité. Monsieur tout-le-monde va traverser la foule sans difficulté étant donné que personne ne va l’arrêter ou le freiner. La célébrité au contraire va être retenue par des gens voulant des autographes, des photos, … Elle attirera plus de monde et mettra plus de temps à traverser la place. Nous avons donc monsieur tout-le-monde qui va vite et par analogie est peu massif, et la célébrité qui va très lentement et est donc plus massive.

Mes neurones surchauffent ! Un résumé !

inforsciences — Fri, 04 Oct 2013 12:40:10 +0000

En résumé cela donne ceci : en observant la Nature et en tentant de la décrire, les physiciens ont petit à petit développé des outils mathématiques qui permettent de décrire le monde qui nous entoure. À l’aide de ceux-ci, ils ont créé une très belle théorie qui s’appelle le Modèle Standard. Le Modèle Standard décrit le comportement des particules élémentaires ainsi que les interactions qui apparaissent entre elles. Cependant, ce modèle ne dit pas pourquoi les particules sont massives. Pire, lorsque celui-ci tente de l’expliquer de manière simple, toute la machinerie s’écroule. Il faut donc recourir à des astuces mathématiques et physiques pour ce faire.

La solution fut apportée par Robert Brout, François Englert et Peter Higgs. Ceux-ci proposent de « briser une symétrie » ou de manière plus imagée de « plier » le Modèle Standard. Ce faisant, les particules acquièrent de la masse mais en plus une nouvelle particule est prédite : le boson de Brout-Englert-Higgs. Celle-ci était « cachée » dans le modèle et ne pouvait être vue qu’en le « pliant ».

Dès-lors, toutes les autres particules acquièrent leur masse en interagissant plus ou moins fortement avec le champ de Brout-Englert-Higgs. Lorsque ce champ est très dense, il apparaît un boson de Brout-Englert-Higgs.