Nous connaissons et aimons tous le boson de Higgs - qui, au grand dam des physiciens, a été étiqueté à tort dans les médias comme la "particule de Dieu" - une particule subatomique repérée pour la première fois dans le Grand collisionneur de hadrons (LHC) en 2012. Cette particule est une pièce d'un champ qui imprègne tout l'espace-temps; il interagit avec de nombreuses particules, comme les électrons et les quarks, fournissant à ces particules une masse, ce qui est plutôt cool.
Mais le Higgs que nous avons repéré était étonnamment léger. Selon nos meilleures estimations, il aurait dû être beaucoup plus lourd. Cela ouvre une question intéressante: bien sûr, nous avons repéré un boson de Higgs, mais était-ce le seul boson de Higgs? Y a-t-il plus de flotteurs qui font leurs propres choses?
Bien que nous n'ayons pas encore de preuves d'un Higgs plus lourd, une équipe de chercheurs basée au LHC, le plus grand briseur d'atomes du monde, se penche sur cette question au moment où nous parlons. Et on dit que lorsque les protons sont brisés ensemble à l'intérieur du collisionneur en forme d'anneau, de lourds Higgs et même des particules de Higgs constituées de différents types de Higgs pourraient sortir de leur cachette.
Si le Higgs lourd existe bel et bien, alors nous devons reconfigurer notre compréhension du modèle standard de la physique des particules avec la nouvelle constatation qu'il y a bien plus dans le Higgs qu'il n'y paraît. Et au sein de ces interactions complexes, il pourrait y avoir un indice de tout, de la masse de la particule de neutrino fantomatique au destin ultime de l'univers.
Tout sur le boson
Sans le boson de Higgs, à peu près tout le modèle standard s'écrase. Mais pour parler du boson de Higgs, nous devons d'abord comprendre comment le modèle standard voit l'univers.
Dans notre meilleure conception du monde subatomique en utilisant le modèle standard, ce que nous considérons comme des particules n'est pas vraiment très important. Au lieu de cela, il y a des champs. Ces champs imprègnent et absorbent tout l'espace et le temps. Il existe un champ pour chaque type de particule. Il y a donc un champ pour les électrons, un champ pour les photons, et ainsi de suite. Ce que vous considérez comme des particules sont en réalité de petites vibrations locales dans leurs domaines particuliers. Et lorsque les particules interagissent (par exemple en rebondissant les unes sur les autres), ce sont vraiment les vibrations des champs qui font une danse très compliquée.
Le boson de Higgs a un type de champ spécial. Comme les autres champs, il imprègne tout l'espace et le temps, et il peut également parler et jouer avec les champs de tout le monde.
Mais le domaine de Higgs a deux tâches très importantes à accomplir qui ne peuvent être accomplies par aucun autre domaine.
Son premier travail est de parler aux bosons W et Z (via leurs champs respectifs), porteurs de la faible force nucléaire. En parlant à ces autres bosons, les Higgs sont capables de leur donner de la masse et de s'assurer qu'ils restent séparés des photons, porteurs de la force électromagnétique. Sans l'interférence du boson de Higgs, tous ces transporteurs seraient fusionnés et ces deux forces fusionneraient.
L'autre tâche du boson de Higgs est de parler à d'autres particules, comme les électrons; à travers ces conversations, cela leur donne aussi de la masse. Tout cela fonctionne bien, car nous n'avons pas d'autre moyen d'expliquer les masses de ces particules.
Léger et lourd
Tout cela a été élaboré dans les années 1960 grâce à une série de mathématiques compliquées mais assurément élégantes, mais il n'y a qu'un petit accroc à la théorie: il n'y a pas de véritable moyen de prédire la masse exacte du boson de Higgs. En d'autres termes, lorsque vous recherchez la particule (qui est la petite vibration locale du champ beaucoup plus grand) dans un collisionneur de particules, vous ne savez pas exactement quoi et où vous allez la trouver.
En 2012, des scientifiques du LHC ont annoncé la découverte du boson de Higgs après avoir découvert que quelques-unes des particules représentant le champ de Higgs avaient été produites lorsque des protons se sont brisés les uns aux autres à une vitesse proche de la lumière. Ces particules avaient une masse de 125 gigaélectronvolts (GeV), soit environ l'équivalent de 125 protons - c'est donc un peu lourd mais pas incroyablement énorme.
À première vue, tout cela sonne bien. Les physiciens n'avaient pas vraiment de prédiction ferme pour la masse du boson de Higgs, ce pourrait donc être ce qu'il voulait être; nous avons découvert la masse dans la plage d'énergie du LHC. Sortez du pétillant et commençons à célébrer.
Sauf qu'il existe des demi-prédictions hésitantes, en quelque sorte, sur la masse du boson de Higgs en fonction de son interaction avec une autre particule, le quark top. Ces calculs prédisent un nombre supérieur à 125 GeV. Il se pourrait simplement que ces prédictions soient fausses, mais nous devons ensuite revenir aux mathématiques et déterminer où les choses vont mal. Ou l'inadéquation entre les prévisions générales et la réalité de ce qui a été trouvé à l'intérieur du LHC pourrait signifier qu'il y a plus dans l'histoire du boson de Higgs.
Higgs énormes
Il pourrait très bien y avoir toute une pléthore de bosons de Higgs qui sont trop lourds pour que nous puissions les voir avec notre génération actuelle de collisionneurs de particules. (La chose énergie-masse remonte à la célèbre équation E = mc ^ 2 d'Einstein, qui montre que l'énergie est la masse et la masse est l'énergie. Plus la masse d'une particule est élevée, plus elle a d'énergie et plus il faut d'énergie pour créer ce poids lourd chose.)
En fait, certaines théories spéculatives qui poussent nos connaissances de la physique au-delà du modèle standard prédisent l'existence de ces bosons de Higgs lourds. La nature exacte de ces caractères Higgs supplémentaires dépend bien sûr de la théorie, allant de simplement un ou deux champs Higgs extra-lourds à des structures composites composées de plusieurs types différents de bosons Higgs collés ensemble.
Les théoriciens travaillent d'arrache-pied à essayer de trouver un moyen possible de tester ces théories, car la plupart d'entre elles sont tout simplement inaccessibles aux expériences actuelles. Dans un récent article soumis au Journal of High Energy Physics et publié en ligne dans le journal de préimpression arXiv, une équipe de physiciens a avancé une proposition visant à rechercher l'existence de plus de bosons de Higgs, basée sur la manière particulière dont les particules pourraient se désintégrer. des particules plus légères et plus facilement reconnaissables, comme les électrons, les neutrinos et les photons. Cependant, ces désintégrations sont extrêmement rares, de sorte que si nous pouvons en principe les trouver avec le LHC, il faudra encore de nombreuses années de recherche pour collecter suffisamment de données.
En ce qui concerne les Higgs lourds, nous devrons simplement être patients.
