Jim Baggott est l’auteur de Higgs : The Invention and Discovery of the ‘God Particle’ et un écrivain scientifique indépendant. Il était maître de conférences en chimie à l’université de Reading, mais il a quitté cette université pour se lancer dans une carrière commerciale, où il a d’abord travaillé pour la Shell International Petroleum Company, puis comme consultant et formateur indépendant. Parmi ses nombreux ouvrages, citons Atomic : The First War of Physics (Icon, 2009), Beyond Measure : Modern Physics, Philosophy and the Meaning of Quantum Theory (OUP, 2003), A Beginner’s Guide to Reality (Penguin, 2005), et A Quantum Story : Une histoire en 40 instants (OUP, 2010).

Lisez sa collection de billets de blog, célébrant le lancement de son nouveau livre, sur l’OUPblog.

Le 4 juillet 2012, les scientifiques du Grand collisionneur de hadrons (LHC) du CERN à Genève ont annoncé la découverte d’une nouvelle particule élémentaire qui, selon eux, correspond au boson de Higgs recherché depuis longtemps, également connu sous le nom de « particule de Dieu ». Notre compréhension de la nature fondamentale de la matière – tout ce qui se trouve dans notre univers visible et tout ce que nous sommes – est sur le point de faire un bond en avant.

Alors, qu’est-ce que le boson de Higgs et pourquoi est-il appelé la « particule de Dieu » ? L’écrivain scientifique Jim Baggott, dont le livre Higgs : l’invention et la découverte de la  » particule de Dieu « , apporte certaines de ces réponses.

Nous savons que l’univers physique est construit à partir de particules de matière élémentaires (comme les électrons et les quarks) et des particules qui transmettent les forces entre elles (comme les photons). Les particules de matière ont des caractéristiques physiques que nous classons comme des fermions. Les particules de force sont des bosons.

Dans la théorie quantique des champs, ces particules sont représentées en termes de « champs » d’énergie invisibles qui s’étendent dans l’espace. Pensez à vos expériences d’enfance en jouant avec des aimants. Lorsque vous poussez les pôles nord de deux barreaux aimantés l’un contre l’autre, vous sentez que la résistance entre eux augmente. C’est le résultat de l’interaction de deux champs magnétiques invisibles, mais néanmoins très réels. La force de résistance que vous ressentez en poussant les aimants l’un contre l’autre est portée par des photons invisibles (ou « virtuels ») passant entre eux.

La matière et les particules de force sont alors interprétées comme des perturbations fondamentales de ces différents types de champs. Nous disons que ces perturbations sont les  » quanta  » des champs. L’électron est le quantum du champ de l’électron. Le photon est le quantum du champ électromagnétique, et ainsi de suite.

Au milieu des années 1960, les théories quantiques des champs étaient relativement impopulaires parmi les théoriciens. Ces théories semblaient suggérer que les porteurs de force devaient tous être des particules sans masse. Cela n’avait guère de sens. Une telle conclusion est acceptable pour le photon, qui porte la force de l’électromagnétisme et est effectivement sans masse. Mais on pensait que les porteurs de la force nucléaire faible, responsable de certains types de radioactivité, devaient être de grandes particules massives. D’où venait donc la masse de ces particules ?

En 1964, quatre articles de recherche sont parus proposant une solution. Et si, selon ces articles, l’univers était imprégné d’un autre type de champ d’énergie, un champ qui pointe (il impose une direction dans l’espace) mais qui ne pousse ni ne tire ? Certains types de particules de force pourraient alors interagir avec ce champ, gagnant ainsi en masse. Les photons passeraient à travers le champ sans être affectés.

L’un de ces articles, rédigé par le théoricien anglais Peter Higgs, comportait une note de bas de page suggérant qu’on pouvait également s’attendre à ce qu’un tel champ présente une perturbation fondamentale, un quantum du champ. En 1967, Steven Weinberg (et plus tard Abdus Salam) a utilisé ce mécanisme pour concevoir une théorie combinant les forces électromagnétique et nucléaire faible. Weinberg a été en mesure de prédire les masses des porteurs de la force nucléaire faible – les bosons W et Z. Ces particules ont été découvertes au CERN vers la fin des années 1970. Ces particules ont été découvertes au CERN environ 16 ans plus tard, avec des masses très proches des prédictions initiales de Weinberg.

Vers 1972, le nouveau champ était désigné par la plupart des physiciens comme le champ de Higgs, et son quantum de champ était appelé le boson de Higgs. Le « mécanisme de Higgs » est devenu un ingrédient clé de ce qui allait être connu comme le modèle standard de la physique des particules.

Le champ de Higgs a été inventé pour expliquer comment des particules de force autrement sans masse pouvaient acquérir une masse, mais il est vite devenu évident que quelque chose de très similaire est responsable des masses des particules de matière, aussi.

La façon dont le champ de Higgs interagit avec des champs de bosons autrement sans masse et la façon dont il interagit avec des champs de fermions sans masse n’est pas la même (cette dernière est appelée interaction de Yukawa, du nom du physicien japonais Hideki Yukawa). Néanmoins, le champ de Higgs a clairement un rôle fondamental à jouer. Sans lui, la matière et les particules de force n’auraient pas de masse. La masse ne pourrait pas être construite et rien dans notre univers visible ne pourrait l’être.

Dans son livre populaire The God Particle : Si l’univers est la réponse, quelle est la question ? « , publié pour la première fois en 1993, le physicien américain Leon Lederman (écrivant avec Dick Teresi) a expliqué pourquoi il avait choisi ce titre :

Ce boson est si central à l’état de la physique aujourd’hui, si crucial pour notre compréhension finale de la structure de la matière, et pourtant si insaisissable, que je lui ai donné un surnom : la particule de Dieu. Pourquoi la particule de Dieu ? Pour deux raisons. Premièrement, l’éditeur n’a pas voulu que nous l’appelions « Goddamn Particle », bien que ce titre soit plus approprié, étant donné sa nature infâme et les dépenses qu’elle occasionne. Et deux, il y a un lien, en quelque sorte, avec un autre livre, beaucoup plus ancien…

Lederman a poursuivi en citant un passage du livre de la Genèse.

C’est un surnom qui continue à être largement utilisé par les écrivains et les journalistes de vulgarisation scientifique. C’est un nom qui est resté. La plupart des physiciens semblent ne pas l’apprécier, car ils estiment qu’il exagère l’importance du boson de Higgs (c’est le champ de Higgs qui est la clé). Dans un mémoire personnel intitulé My Life as a Boson, Peter Higgs explique comment la particule tant recherchée a été nommée d’après lui, définissant son statut de « particule la plus recherchée de la physique ».

« Dieu » ou « la plus recherchée », c’est une particule que les physiciens ont certainement désespéré de trouver. La question est maintenant : le travail de Peter Higgs sera-t-il reconnu d’une autre manière, peut-être par un prix Nobel ?