Peter Higgs, sa particule (son boson), son champ quantique, son Nobel et Stephen Hawking

« Au cours de ma première année comme maître de conférence [1960], j’étais à la recherche d’un programme de recherche qui valait le coup. Pendant les quatre années précédentes à Londres, j’avais perdu mon chemin dans la physique des particules et je m’étais intéressé à la gravité quantique. La symétrie m’avait fasciné depuis mes années d’étudiant et j’étais embarrassé par les symétries approximatives [approximate symmetries] (que l’on appelle maintenant les symétries de saveur [flavour symmetries]) de la physique des particules. » (Peter Higgs, le 8 décembre 2013 à Stockholm).





Le physicien américain Murray Gell-Mann est mort à 89 ans ce vendredi 24 mai 2019. Il était spécialisé dans la physique des particules, notamment la théorie des quarks, et il a reçu le Prix Nobel de Physique en 1969 (il avait alors 40 ans) pour ses contributions à la classification des particules élémentaires et de leurs interactions. Je voudrais cependant évoquer un autre physicien de la même génération, lui encore bien vivant, qui a également beaucoup travaillé dans la physique des particules.

Effectivement, l’un des plus grands scientifiques contemporains, le physicien britannique Peter W. Higgs fête son 90^e anniversaire ce mercredi 29 mai 2019. Ce chercheur, spécialisé dans la physique quantique, la physique des particules et la cosmologie, professeur de l’Université d’Édimbourg et diplômé du King’s College London, est à l’origine de la découverte, d’abord théorique, d’une particule qui porte (indûment !) son nom, le boson de Higgs.

J’ai écrit "indûment" et lui, très modeste, le reconnaît bien volontiers, car cette particule a été découverte par trois équipes de chercheurs de manière indépendante et quasi-simultanée : une première équipe avec François Englert (né en 1932) et Robert Brout (1928-2011), deux physiciens belges de l’Université libre de Bruxelles, une deuxième équipe avec Peter Higgs, et une troisième équipe avec Carl Richard Hagen (né en 1937), physicien américain de l’Université de Rochester, Gerald Guralnik (1936-2014), physicien américain de l’Université Brown (dans le Rhode Island), et Thomas Kibble (1932-2016), physicien britannique de l’Université d’Édimbourg. D’ailleurs, ces six théoriciens ont reçu en même temps et pour la même raison, le 10 février 2010, le Prix Sakurai 2010 de théorie physique des particules, l’un des plus prestigieux prix en physique.

Pour simplifier, je garderai cependant l’appellation écourtée de "boson de Higgs" alors qu’il faudrait l’appeler "boson de BEHHGK" (prononcer "Beck") pour "boson de Brout-Englert-Higgs-Hagen-Guralnik-Kibble" (dans l’ordre quasi-alphabétique) ou au moins, "boson de Brout-Englert-Higgs" (BEH). Je parlerai de la même manière de "mécanisme de Higgs" pour "mécanisme de BEHHGK" et champ de Higgs avec la même simplification. Certains appellent ce boson plus conventionnellement "boson scalaire massif" ou encore "boson scalaire de brisure spontanée de symétrie". Ce furent les autres physiciens qui appelèrent dès 1964 ce boson du nom de Peter Higgs, c’est pour cela que cette dénomination est encore utilisée.



Précisons, pour être exact, que François Englert et Peter Higgs ne se connaissaient pas lorsqu’ils ont tous les deux conclu à l’existence du boson de Higgs. François Englert et Robert Brout ont eu l’antériorité puisque leur article a été déposé le 26 juin 1964 et publié le 31 août 1964 dans la (prestigieuse) revue "Physical Review Letters" ("Broken symmetry and the mass of gauge vector mesons", vol. 13 n°9, pp. 321-323).

Peter Higgs, lui, a déposé le sien seulement le jour de la publication de l’article de Englert et Brout, c’est-à-dire le 31 août 1964 et il a été publié plus tard, le 19 octobre 1964 dans la même revue ("Broken symmetries and the masses of gauge bosons", vol. 13 n°16, pp. 508-509). L’article de Peter Higgs fait d’ailleurs référence à celui de Englert et Brout (note 4). Leur deux approches mathématiques étaient différentes mais complémentaires.

Enfin, Gerald Guralnik, Carl Richard Hagen et Thomas Kibble ont déposé le 12 octobre 1964 et publié le 16 novembre 1964, toujours dans la même revue, leur propre article ("Global conservation laws et massless particles", vol. 13 n°20, pp. 585-587).

Pour bien comprendre les procédures de publication dans des revues scientifiques de référence, il faut rappeler que cela se passe comme le dépôt d’un brevet, c’est-à-dire que l’article est rigoureusement examiné par le comité de lecture de la revue. Un comité de lecture est une instance très puissante et essentielle pour la progression et la diffusion de la science car il sélectionne les articles sérieux et rejette les articles fantaisistes ou les arnaques. Il peut cependant se tromper, la réputation d’une revue est donc directement en rapport avec la rigueur de son comité de lecture.

Revenons à nos moutons bosons (il est commun d’assimiler les bosons à des moutons et les fermions à des loups).



Alors, qu’est-ce que le boson de Higgs ? La particule fut prédite par ces trois équipes en 1964. Jusqu’en 2010, elle fut en quelque sorte la dernière particule à découvrir (mis à part le graviton qui est encore sujet à caution) pour consolider sinon confirmer la physique quantique actuelle, ce que la communauté scientifique nomme communément le "modèle standard".

C’est une particule qui permet aux bosons de l’interaction faible de ne pas avoir de masse nulle, contrairement à la particule impliquée dans l’électromagnétisme, à savoir le photon (qui, lui, a la masse nulle). La physique quantique a défini quatre forces dans la nature : l’interaction forte, l’interaction faible, la force électromagnétique et la gravitation, et à chaque interaction est associée un boson (gluon, photon, graviton, etc.). Si l’on veut être poétique, on dira que l’existence du boson de Higgs explique la "brisure spontanée de symétrie en théorie de jauge" à basse énergie. Sans boson de Higgs, selon le "modèle standard", tout volerait en éclats, tout serait en apesanteur. La découverte d’une telle particule était donc essentielle pour comprendre l’univers.

En quelques paragraphes, c’est assez difficile (fastidieux et trop ambitieux) d’expliquer clairement la physique quantique. Pour mieux faire comprendre, je me permets de reprendre une analogie provenant du physicien David J. Miller qui a comparé le boson de Higgs à une personnalité politique.

Imaginons une salle de réception dans laquelle des militants politiques, invités à ce cocktail mondain, sont répartis à peu près de manière uniforme. Tout semble "isotrope". Puis, soudain, la personnalité politique attendue (la "guest star") arrive dans la salle. Que se passe-t-il ? Tous les invités vont à sa rencontre, s’attroupent devant ou derrière elle, la suivent, la saluent, l’embrassent parfois, etc. Cela donne à ces militants une masse qu’ils n’avaient pas avant son arrivée.

C’est un peu ce qu’il se passe avec le mécanisme de Higgs. Le boson de Higgs crée le champ de Higgs (force de nature électrofaible) qui donne une masse aux particules.



Pendant plus d’une quarantaine d’années, l’existence du boson de Higgs n’était que "théorique" et n’a jamais été prouvée expérimentalement. L’un des gros soucis pour le détecter est sa durée de vie ultra-courte : seulement seize cents millièmes d’un milliardième de milliardième de seconde !

Peter Higgs pensait-il qu’on arriverait un jour à découvrir expérimentalement sa particule ? Probablement pas, en tout cas, probablement pas de son vivant. C’était sans compter les imposants outils technologiques dont sont capables de se doter physiciens et ingénieurs. Or, l’installation au CERN (Centre d’études et de recherches nucléaires à Genève) du plus grand accélérateur de particules du monde, appelé le LHC pour Large Hadron Collider (grand collisionneur de hadrons) a donné beaucoup d’espoirs de confirmer des points de théorie quantique jamais encore prouvés expérimentalement.

Là non plus, mon but n’est pas d’expliquer trop précisément ce qu’est un accélérateur de particules. C’est un anneau qui permet de faire accélérer des particules. Plus l’anneau est grand, plus les particules peuvent prendre de la vitesse, plus l’énergie en jeu est grande, plus de nouvelles particules naissent et meurent au cours de ces "jets". Le LHC a une circonférence de presque 27 kilomètres. Avant le LHC, il y avait le LEP (Large Electron Positron), qui utilisait le même anneau, mais seulement pour accélérer des électrons (à masse très faible).

En faisant accélérer des protons (qui sont de la famille des hadrons), on fait accélérer des particules beaucoup plus lourdes et donc, beaucoup plus énergétiques. Ainsi, en créant une collision entre deux protons accélérés au maximum, le LHC peut obtenir une énergie de 14 TeV (téra-électron-volt). La puissance maximale du LHC est celle que peut avoir un seul proton, soit 7 TeV. Le LHC a été également conçu pour faire des collisions d’ions très lourds, comme du plomb, ce qui devrait générer une énergie de plus de 1 000 TeV.

Petit arrêt pour rappeler ce qu’est l’électron-volt : c’est une unité d’énergie, mais c'est aussi (quasiment) une unité de masse (à un rapport c² près) en raison de la célèbre formule du physicien Albert Einstein E=mc². La masse de l’électron a ainsi pour énergie 510 keV, tandis que la masse du proton est de 938 MeV/c² (k=kilo, facteur 1 000, M=méga, facteur 1 million, T=téra, facteur 1 000 milliards).



Je ne peux pas m’empêcher de faire ici un petit cocorico européen. La construction du LHC a été formellement décidée en décembre 1994 par un groupe de pays (je parle d’Europe mais pas d’Union Européenne). Il faut se souvenir qu’en 1993, les Américains avaient finalement renoncé, pour des raisons budgétaires, à construire ce qui aurait été le plus puissant accélérateur de particules, à Los Angeles, conçu pour atteindre une énergie de 20 TeV (au lieu de 7 TeV à Genève) dans un anneau d’environ 80 kilomètres. Quant au Tevatron, un accélérateur construit en 1983 à Chicago dimensionné pour une énergie de 1 TeV, il a dû fermer le 30 septembre 2011 en raison d’une absence de crédits et de clients (trop concurrencé par le LHC).

Le premier faisceau de protons a fait le tour de l’accélérateur le 10 septembre 2008 à 10 heures 28. Cette date marque une nouvelle période : les physiciens peuvent ainsi bénéficier d’un outil fabuleux et très puissant pour affiner ou confirmer leurs théories. La première collision de particules a eu lieu le 23 novembre 2009. L’un des premiers objectifs du LHC, c’était bien sûr d’observer le boson de Higgs. Certains physiciens, comme Stephen Hawking, ne croyaient pas du tout à cette possibilité (voir plus loin).

Il faut mesurer l’importance d’une observation expérimentale du boson de Higgs : cela confirmerait une des zones d’ombre du modèle standard (de la physique quantique). Mais cela n’expliquerait pas, pour autant, la "masse manquante" de l’univers. Au-delà de cette formidable victoire de la pensée humaine, une telle découverte expérimentale orienterait durablement l’évolution du modèle standard pour mieux comprendre la nature, notamment en infirmant certaines théories spéculatives (comme la théorie des cordes).

Les scientifiques sont d’abord des personnes raisonnables. Au contraire des personnages politiques, ils sont prudents, ils veulent être sûrs avant de s’avancer dans leur communication, tandis que les politiques parlent et ensuite, rament pour faire comme ils ont dit. Quand on croit observer quelque chose, on n’est pas forcément sûr, on veut être sûr, on veut confirmer, on veut refaire l’observation. Au contraire des "sciences molles" et des pas-sciences-du-tout, qui représentent environ 100% des sujets abordés dans un journal de vingt heures à la télévision, les "sciences dures" se veulent rigoureusement rigoureuses : il n’est pas question de lâcher dans la nature (ni dans "Nature") une information scientifique si elle n’est pas validée, vérifiée, contrôlée, confirmée, digérée, assurée, garantie, certaine, prouvée (ni réfutable au sens de Popper).

Mais peut-on éviter de communiquer le début d’une telle observation sensationnelle quand un millier de scientifiques, ingénieurs et techniciens sont impliqués dans ce projet ? Quand on vit dans un monde de rumeurs, de buzz, de tweets ? Impossible de garder un secret avec autant de monde. Il fallait donc communiquer tout en restant prudent, avant de perdre le contrôle de toute communication.

C’est ce qu’il s’est passé lors d’un séminaire à Genève le 13 décembre 2011 dans l’après-midi. On a indiqué que la détection du boson de Higgs était en cours, sans plus de précision. Il faut imaginer le travail : depuis l’été 2011, des milliards de milliards de collisions avaient été générées, et deux détecteurs du LHC (ATLAS : a toroidal LHC apparatus, et CMS : compact muon solenoid) avaient enregistré des collisions en excès qui devraient correspondre à l’existence (furtive, donc, vu la brièveté de sa durée de vie) de bosons de Higgs. Mais statistiquement, ce nombre d’excès était encore trop faible pour assurer la fiabilité de l’observation.



Les deux détecteurs ont ainsi pu donner une estimation des caractéristiques de la particule. ATLAS a évalué la masse du boson de Higgs autour de 125 GeV/c² (entre 116 et 130 GeV/c² selon Fabiola Gianotti) et CMS autour de 124 GeV/c² (entre 115 et 127 GeV/c² selon Guido Tonelli), ce qui est cohérent. Cela a justifié ainsi, a posteriori, la nécessité d’un accélérateur de particules à haute énergie, puisque le boson de Higgs aurait alors une masse une centaine de fois plus grande que le proton (voir plus haut à propos de l’électron-volt).

Il a fallu finalement attendre le mercredi 4 juillet 2012 pour confirmer ces premières observations. Le directeur général du CERN Rolf Heuer n’a pas hésité à dire, très enthousiaste : « Nous avons franchi une nouvelle étape dans notre compréhension de la nature. ». L’observation du boson de Higgs a en effet été considérée comme statistiquement fiable à cette date. Sa masse serait de 125,3 (+/-0,6) GeV/c², soit 133 fois celle du proton, avec une certitude (précision) de 99,9999%. La réaction de son père théorique a été celle-ci : « Je suis stupéfait par l’incroyable vitesse avec laquelle ces résultats ont été obtenus. ». Peter Higgs, qui avait fait le déplacement avec son collègue François Englert (Robert Brout n’a pas survécu jusque-là) au CERN de Genève, n’imaginait pas le voir un jour : « Je n’aurais jamais pensé assister à cela de mon vivant et je vais demander à ma famille de mettre le champagne au frais ! ».

Peter Higgs, qui a été malade que ses compatriotes  aient voté pour le Brexit en juin 2016 (parce que la science n'a pas de frontières), a été largement récompensé au cours de sa carrière pour son travail sur le boson de Higgs, en recevant de nombreux prix prestigieux, comme la Médaille Dirac en 1997 et le Prix Wolf de physique en 2004 (avec François Englert et Robert Brout). Mais il lui manquait encore le principal…

La découverte expérimentale de sa particule au CERN ne laissait aucun doute que le Prix Nobel de Physique lui serait décerné ainsi qu’à François Englert. Il fut annoncé le 8 octobre 2013 et la cérémonie de réception a eu lieu le 8 décembre 2013 à Stockholm (discours et vidéo à télécharger ici). On aurait pu imaginer aussi que la troisième équipe fût récompensée également, tout comme l’équipe des chercheurs du LHC impliqués dans la détection concrète de la particule imaginée par Higgs. En 1987, le Nobel de Physique, en effet, avait récompensé les deux physiciens (Karl Alexander Müller et son collaborateur Johannes Bednorz) qui avaient détecté la supraconductivité à haute température critique sur une céramique chez IBM à Zurich, mais c’étaient des chimistes normands qui avaient composé cette céramique (dans un tout autre but que la supraconductivité).

Peter Higgs et François Englert n’auraient jamais reçu de Prix Nobel si le boson de Higgs n’avait pas été détecté, car le prix récompense des découvertes concrètes et pas les prédictions purement théoriques et somme toute, spéculatives. C’était ce que pensait aussi le physicien britannique Stephen Hawking de sa découverte du rayonnement des trous noirs : « J’ai rencontré un certain succès dans ma carrière scientifique : la plupart des spécialistes de physique théorique ont admis, me semble-t-il, l’émission quantique des trous noirs que j’ai décrite, même si cela ne m’a pas encore valu de Prix Nobel, parce que c’est très difficile à vérifier de manière expérimentale. » ("Une brève historie de ma vie").

L’installation en 2008 d’un outil aussi puissant que le LHC pouvait donner beaucoup d’espoirs à beaucoup de physiciens de valider par l’observation leurs théories. Mais Stephen Hawking ne comptait pas trop là-dessus : « Le plus excitant pour moi serait qu’il [le LHC] trouve de petits trous noirs, car je recevrais alors le Prix Nobel. Cependant, comme je ne pense pas que ce soit très probable, je ne retiens pas mon souffle. ».



Puisque j’évoque la figure de Stephen Hawking, je termine par une anecdote, par un match entre ces deux personnalités scientifiques de gros calibre qui a eu lieu le 2 septembre 2003 par presse interposée. Un article du journal "The Scotsman" a évoqué des propos tenus en privé par Peter Higgs lors d’un dîner dans un restaurant tranquille d’Édimbourg, organisé en l’honneur d’une pièce de théâtre inspirée des travaux de Paul Dirac. À l’époque (2003), Peter Higgs, homme pondéré et humble, était déjà reconnu par la communauté scientifique comme l’un des physiciens majeurs, mais n’avait pas encore reçu de Prix Nobel, tandis que la célébrité de Stephen Hawking était déjà mondiale en raison de son best-seller "Une brève histoire du temps".

Friand de paris, Stephen Hawking, qui ne croyait pas à l’existence du boson de Higgs, avait parié que les physiciens du LEP (l’ancien accélérateur du CERN de Genève, voir plus haut) ne trouveraient pas la particule. Lorsque le LEP a été définitivement fermé en 2002 (pour construire à la place le LHC), les physiciens qui avaient travaillé sur le sujet avaient été déçus, tandis que Stephen Hawking triomphait, mais agaçait aussi les chercheurs en physique des particules.

On avait là un duel ordinaire entre cosmologues (comme Hawking), étudiant l’infini grand (Relativité générale) et physiciens des particules (comme Higgs), étudiant l’infini petit (physique quantique). Beaucoup de physiciens des particules critiquaient l’arrogance de Stephen Hawking, mais se gardaient bien de le faire publiquement (la règle, c’est de ne pas critiquer publiquement Hawking, comme on ne critique pas publiquement Lady Di). Au cours du dîner évoqué, Peter Higgs a fait exception et a lâché à un journaliste à propos de Stephen Hawking : « Il est difficile de dialoguer avec lui, et il a donc échappé aux déclarations, d’une manière que les autres ne voudraient pas. Son statut de star lui donne une crédibilité instantanée que les autres n’ont pas. ».

Message reçu en pleine face par Stephen Hawking qui a immédiatement réagi dans "The Independent" sans aucun sens de l’humour : « Je suis surpris par la profondeur des sentiments dans les propos de Higgs. J’espère que l’on pourra discuter de questions scientifiques sans attaques personnelles. ». La polémique s’est arrêtée là.

Eh oui, la vie politique n’en a pas le monopole : la communauté scientifique n’est pas exclue des batailles d’ego et des échanges de petites phrases déplaisantes. Pour un résultat particulièrement stérile et ridicule par rapport aux contributions exceptionnelles que les deux physiciens ont apportées à la science et à la compréhension de l’univers.


Aussi sur le blog.

Sylvain Rakotoarison (28 mai 2019)
http://www.rakotoarison.eu


Pour aller plus loin :
Le discours de réception de Peter Higgs le 8 décembre 2013 à Stockholm (vidéo et texte à télécharger).
Les trois publications scientifiques qui ont prédit l’existence du boson de Higgs (à télécharger).
Peter Higgs.
Léonard de Vinci.
Stephen Hawking, Dieu et les quarks.
La disparition de Stephen Hawking.
Un génie très atypique.
Les 60 ans de la NASA.
Document à télécharger : la publication de Max Planck du 7 janvier 1901, "On the Law of the Energy Distribution in the Normal Spectum", qui fit naître la physique quantique.
Max Planck.
Georg Cantor.
Jean d’Alembert.
David Bohm.
Marie Curie.
Jacques Friedel.
Albert Einstein.
La relativité générale.
Bernard d’Espagnat.
Niels Bohr.
Paul Dirac.
Olivier Costa de Beauregard.
Alain Aspect.





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