De la philosophie du Boson de Higgs

Frans Tassigny

Description

la démarche et les objectifs de la physique n’ont guère à voir avec ceux de la philosophie. On pourrait même défendre l’idée qu’il s’agit de deux modes étrangers l’un à l’autre d’exercice de l’activité intellectuelle, qui ne traitent pas des mêmes problèmes, ne mettent pas en jeu les mêmes raisonnements ni les mêmes facultés, ne répondent pas aux mêmes finalités et ne sont pas entretenus de la même manière par la société
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• Publié par: Une-Universite-de-la-Psychanalyse
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• Langue: Français

Extrait

De la philosophie du Boson de Higgs

Aujourd’hui, chacun le voit bien, la physique et la philosophie sont deux disciplines bien séparées, au lycée, dans la plupart des cursus universitaires, et même dans nos cerveaux. Cette indépendance relative ne semblant afecter ni la progression de la philosophie, ni celle de la physique, il n’y a pas lieu de la remettre en cause. D’autant qu’en apparence, la démarche et les objectiFs de la physique n’ont guère à voir avec ceux de la philosophie. On pourrait même déFendre l’idée qu’il s’agit de deux modes étrangers l’un à l’autre d’exercice de l’activité intellectuelle, qui ne traitent pas des mêmes problèmes, ne mettent pas en jeu les mêmes raisonnements ni les mêmes Facultés, ne répondent pas aux mêmes Inalités et ne sont pas entretenus de la même manière par la société. ïl reste que, tout en étant diférents, ces deux exercices de l’activité intellectuelle communiquent secrètement, et qu’à trop oublier ce qui les relie, on rate des occasions de penser, de penser autrement, de penser plus avant… Au nom même des exigences de « l’ïntellect », il Faut donc régulièrement mettre en contact la physique – et ce qu’elle découvre – avec la philosophie, aIn de Faire émerger de nouvelles questions, ou de nouvelles Façons de poser d’anciennes questions, voire de bousculer des métaphysiques trop datées.

Gaston Bachelard, mort il y a tout juste cinquante ans, le 16 octobre 1962, écrivait dansla Philosophie du non: « inalement la philosophie de la science physique est peut-être la seule philosophie qui s’applique en déterminant un dépassement de ses principes. BreF, elle est la seule philosophie qui soit vraiment ouverte. » En efet, l’intellect ne se développe pas qu’à partir de lui-même : il y a un en-dehors de l’esprit, et cet en-dehors, c’est le réel, que les physiciens tentent justement de cerner et qui, au gré de leurs découvertes, peut Faire retour sur l’esprit et modiIer, par ricochet, les contours de ce que nous appelons la raison.

Ce qui rend d’ailleurs la physique intellectuellement si précieuse, c’est qu’il lui arrive de Faire des « découvertes philosophiques négatives », pour reprendre l’expression de Maurice Merleau-Ponty (La Nature. Notes – Cours du Collège de France, Paris, Seuil, 1995). Que Faut-il entendre par là ? Que certains de ses résultats, qu’ils soient théoriques ou expérimentaux, peuvent modiIer les termes en lesquels certaines questions philosophiques se posent, apporter des contraintes, et ainsi s’inviter dans des débats qui lui sont a priori extérieurs. Songeons par exemple à la question du temps : même en restant sur un plan strictement philosophique, à coup de citations d’Aristote, de saint-Augustin, de Kant, de Husserl ou de Heidegger, il est devenu diîcile de traiter de cette question du temps comme si la théorie de la relativité d’Einstein n’avait pas « Fait ses preuves » tout au long du XXe siècle.

L’une des plus belles découvertes philosophiques négatives de la physique vient tout juste d’advenir : le 4 juillet, des physiciens du CERN ont annoncé urbi et orbi avoir détecté une nouvelle particule, le « boson de Higgs ». Quel rapport avec la philosophie, me direz-vous ? ïl est que l’existence de cette particule vient déFaire le lien quasi-ontologique qu’on avait pris l’habitude d’établir entre matière et masse, comme s’il allait philosophiquement de soi que ces deux notions participent l’une comme l’autre de la même idée de « substance ».

ConFortés depuis des lustres par cet amalgame, nous inclinons à croire que la masse des objets matériels, notamment des particules élémentaires, leur est consubstantiellement liée, qu’un électron, par exemple, « possède » sa masse, au sens où celle-ci lui appartient en propre. Notre esprit a même tellement tendance à suivre cette pente que nous éprouvons la même peine à nous Igurer ce que pourrait bien être un corps matériel sans masse qu’à imaginer une masse pure qui ne s’incarnerait pas en un corps.

Pourtant, en 1964, trois physiciens théoriciens, Robert Brout, rançois Englert et Peter Higgs, véritables argonautes de l’esprit, avaient suggéré que la masse, au lieu d’être une propriété des particules élémentaires, une caractéristique qu’elles porteraient en elles-mêmes, pourrait n’être qu’une propriété secondaire de ces particules, résultant de leur interaction avec… le vide ! Cette hypothèse impliquait, bien sûr, que le vide ne Fût pas tout à Fait… vide, mais contnt ce qu’on appelle un « champ », en l’occurrence le « champ de Higgs », avec lequel les particules interagiraient, ce qui aurait pour efet de les ralentir. Une analogie va ici nous aider à comprendre : imaginons un champ de neige ayant partout la même épaisseur et que les particules soient de petits êtres dotés de skis. Celles ayant des skis parFaitement Fartés glisseront sans Frottement, de sorte que nous aurons l’impression qu’elles vont à la vitesse de la lumière, donc qu’elles n’ont pas de masse. Les autres, dotées de skis moins bien Fartés, seront Freinées par la neige, et plus elles seront ainsi ralenties, plus nous leur attribuerons une masse élevée.

La découverte qui vient d’être Faite du boson de Higgs prouve que ce mécanisme est proche de celui que la nature a choisi pour conFérer leur masse aux particules élémentaires.

Du coup, physiquement aussi bien que philosophiquement, le statut de la masse n’est plus ce qu’il était…

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Etienne Klein

Etienne Klein est un physicien théoricien et philosophe des sciences français. Docteur habilité en philosophie des sciences, diplômé d’études approfondies en physique théorique, ingénieur centralien, il est professeur à l’Ecole Centrale et directeur de recherches au Commissariat à l’Energie Atomique (CEA) où il dirige le Laboratoire de Recherches sur les Sciences de la Matière, installé à Saclay. Parmi ses

nombreux ouvrages, nous vous conseillonsPetit voyage dans le monde des quanta(2004),Il était sept fois la révolution, Albert Einstein et les autres(2005),Le facteur temps ne sonne jamais deux fois(2007) et son dernier livre,Rugby quantique(2011).

AJOUT

(Image: CERN)

Les résultats présentés Higgs au CERN cette semaine ont été accueillies avec des applaudissements et des acclamations deGenèveàMelbourne, mais un groupe

a été moins heureux: dévots de police. C'est parce que lesdiapositivesde l'un des deux présentateurs,abiola Gianottide l'expérience ATLAS, portait texte Igurant dans le Comic Sans. La police de caractères imite l'écriture manuscrite et estsouvent décriépour son irrévérence et la surexploitation.

Ce n'est pas la première Fois Gianotti a utilisé la police - son service lors du boson de Higgs de l'année dernière mise à jour a provoqué uneréaction similaire. Mais était-ce le mauvais choix pour la présentation de révolutionnaires physique? La science de la police Comic Sans ofre des conclusions mitigées.

Une étudesuggère que la police Comic Sans est plus Facile à lire et plus attractiF que d'autres polices de premier plan telles que Times New Roman et Arial, au moins pour 9 à 11 ans.Un autresuggère que l'utilisation de Comic Sans ne vous rend pas paratre moins proFessionnel ou matures, ne trouvant pas de diférence signiIcative entre les impressions des lecteurs de personnes qui utilisent la police par rapport à la plus grave Calibri. Cela contredit quelque peu les résultats d'unetroisième étudequi a révélé la police Comic Sans est perçu comme heureux, câlin, jeune et passive.

Un coup plus grave contre le Comic Sans est la preuve que plus Facile à lire les polices ne sont pas étirer votre cerveau suîsant, rendant plus diîcile de se rappeler ce que vous avez lu plus tard. Cetterecherche conseillel'utilisation de polices plus diîciles à transmettre des renseignements complexes - mais il semble peu probable que quelqu'un va Faire oublier les résultats de mercredi simplement parce qu'ils ont été écrits en Comic Sans.

En Fait, il ya maintenant unepétition pour renommer la police Comic Sans pour Comic préoccupationsen l'honneur de la découverte de Higgs et des choix typographiques, Gianotti.ïl dispose actuellement de quelques centaines de partisans, mais il semble que le créateur de la police, Vincent Connare, estégalement en Faveur de la nouvelle dénomination proposée.

Ndlr

Rappels en physique des particules

Le modèle standard

Le modèle standard décrit le Fonctionnement des particules Fondamentales, à la base des atomes et donc de la matière, gouvernées par des interactions élémentaires, via des particules médiatrices. Parmi les particules Fondamentales, qui Forment la matière, on retrouve

lesquarkset lesleptons, ces deux types de particules ayant une masse non nulle et bien déInie. Ces deux types sont regroupés sous le nom defermions.

Ensuite, parlons des interactions élémentaires. Nous en connaissons quatre :la force électromagnétique, la force forte, la force faible et la gravitation. SauF que, problème de taille, cette dernière ne rentre pas dans le modèle standard. En efet, comme le modèle standard est unethéorie quantique(une théorie quantique des champs pour être précis), et que la physique quantique et la gravitation s’accommodent pour le moment mal, le modèle standard ne peut pas décrire cette interaction.

En outre, et c’est très important pour la suite, les physiciens ont réussi à uniIer la Force électromagnétique et la Force Faible dansl’interaction électrofaible, qui peut décrire avec succès les deux interactions précédentes à l’échelle quantique. Cela simpliIe les choses en quelque sorte.

Les diférents bosons de jauge. ïmage : CNRS

EnIn, les trois interactions élémentaires restantes s’exercent à l’aide de particules nomméesbosons de jauge, qui sont les messagers, ou médiateurs, de ces trois Forces. On trouve donc une ou plusieurs particules correspondant à chaque interaction :

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Lephoton, médiateur de la Force électromagnétique, et surtout connu pour « transporter » la lumière, possède une masse nulle.

Trois bosons ditsintermédiaires, , sont les médiateurs deet , la Force Faible. ïls possèdent une masse anormalement élevée, que les physiciens n’expliquaient pas.

EnIn, la Force Forte est transmise par 8gluons, qui sont aussi de masse nulle.

Si jamais la gravité devait être inclue un jour dans le modèle standard, ce serait sans doute par le biais du graviton, une particule hypothétique encore jamais observée. Voici, en simpliIant au maximum, où en étaient les choses avant « l’invention » du boson de Higgs.

La problématique masse des particules

Malheureusement, lorsqu’on a trouvé cette masse des bosons et , quelque chose ne collait pas. Alors qu’il suîsait auparavant d’entrer dans les équations de la théorie quantique les masses des particules étudiées, cela ne pouvait pas marcher avec ces trois bosons, les équations donnant des résultats aberrants. En efet, selon la théorie de l'interaction électroFaible, les bosons et devraient aussi ne pas avoir de masse. De ces problèmes sont survenues des questions plus générales : comment les particules de matière ont-elles une masse ? Pourquoi les photons et les gluons n’ont-ils pas de masse ? Mais le problème le plus incompréhensible était : pourquoi le photon n’a-t-il pas de masse, alors que les bosonseten ont une, étant donné qu’ils sont tous les deux décrits par la théorie électroFaible ? Cette question revient à dire : pourquoi la Force électromagnétique a-t-elle une portée inInie alors que la Force Faible a une portée Inie ?

Le champ de Higgs

Pour résoudre tous ces problèmes, des chercheurs ont spéculé sur l’existence d’un champ,le champ de Higgs, présent partout dans l’espace et rempli d’une « mélasse » que sont les bosons de Higgs. Ce que nous détectons en réalité, ce sont des vagues de ce champ. Un boson de Higgs correspond alors à un quantum de ces vagues. Pour mettre les choses en Français,un boson de Higgs, c’est la vague la plus petite d'un champ de Higgs qui peut exister.

Une analogie pratique à utiliser serait celle de l’air. Comme le champ de Higgs, il est a priori invisible. Cependant, si on provoque un évènement perturbateur, il y a des ondes qui partent de ce point, par exemple en Frappant ses mains les unes dans les autres. L’onde est alors lancée. Ensuite, nous réceptionnons cette onde, et nous la mesurons à l’aide de nos oreilles. Pour le champ de Higgs, c’est un peu le même principe : l’évènement perturbateur c’est la collision de deux protons très énergétiques dans le LHC, ce qui Forme des vagues dans le champ de Higgs. Ces vagues sont ensuite mesurées par « des oreilles » de haute technologie, les expériences ATLAS et CMS. Dans ce cas, en se déplaçant, les particules du modèle standard interagissent plus ou moins avec ce champ et acquièrent une masse par ce mécanisme. Certaines, comme le photon, n’interagissent pas du tout avec ce champ et ont en conséquence une masse nulle. D’autres, à l’instar des bosons et , interagissent beaucoup avec ce champ et acquièrent une masse élevée. Ainsi, comme ceux-ci sont massiFs, la Force Faible a une portée limitée. Selon le mécanisme de Higgs, les particules n’ont pas de masse, ce que l’on mesure, c’est l’intensité de l’interaction avec les bosons de Higgs.

La découverte du boson de Higgs

Produire un boson de Higgs

Représentation du trajet des particules dans le LHC. ïmage : M.Strassler

La production de cette particule est en réalité la partie la plus Facile. À partir de ce qu’on appelle uninjecteur, nomméLinac3dans le cas du LHC, des atomes de plomb sont accélérés dans un circuit. Ces atomes sont ionisés, c’est-à-dire qu’on leur a enlevé des électrons. C’est d’ailleurs pour cela qu’on parle de collision d’ions lourds. Lorsque ces atomes commencent à être accélérés, ils ont déjà perdu 29 de leurs 82 électrons de départ. Au Inal, après deux passages via des Feuilles de carbone, ces atomes ont perdu la totalité de leurs électrons. La préaccélération dans l’injecteur puis dans un premier synchrotron, le SPS, conFère aux nucléons des noyaux de plomb une énergie de 117 GeV, et le passage dans les Faisceaux du LHC augmente cette énergie à 2.76 TeV par nucléon.

Le tunnel cylindrique du LHC renFerme en vérité tout un réseau d'électro-aimants supraconducteurs, nécessaires pour courber les Faisceaux de protons dans le tunnel sans pour autant dégager une quantité de chaleur énorme. ïl y a deux Faisceaux, l'un en contresens de l'autre, et qui se croisent au niveau des détecteurs, Faisant entrer les particules en collision.

Le tunnel du LHC

Une Fois dans les Faisceaux,les particules sont accélérées à 99.9999991% de la vitesse de la lumière, et atteignent alors une énergie de 7 TeV. Pour vous donner un ordre de grandeur, elles parcourent les 27 km de circonFérence environ11000 fois par seconde. Les Faisceaux sont regroupés en paquets de particules, exactement 2808 paquets par Faisceau, espacés par un écart de 25 nanosecondes entre chaque paquet, soit environ 7.5 mètres. Malgré le Fait que chaque paquet contienne énormément de protons, une inIme partie de ces particules entre en collision. Pour augmenter cette proportion, les Faisceaux sont Focalisés au niveau des détecteurs à l'aide d'énormes aimants. TouteFois, alors que le nombre de protons par paquet atteint 10^11, on n’obtient qu’environ 20 collisions par rencontre de deux paquets. Mais comme le nombre de paquets en collision est énorme, c’est en réalité un peuplus de 600 millions de collisions enregistrables par seconde et par détecteur.

Détecter un Boson de Higgs

Voici une inFormation étonnante :les chercheurs du CERN n’ont jamais « détecté » le Boson de Higgs. Eh oui, l’existence de ce dernier est trop brève pour qu’on le détecte directement. Les chercheurs sont alors Forcés de regarder parmi ses produits de désintégration pour l’identiIer. Ainsi, un boson de Higgs se désintègre endeux bosons Z, qui ont se désintègrent eux-mêmes endeux leptons(qui sont des Fermions rappelons-le nous) et leurs anti-particules.

Diagramme de désintégration du boson de Higgs. ïmage : M. Strassler

Les expériences CMS et ATLAS du LHC doivent donc observer les produits de ces désintégrations. L’exercice est d’autant plus ardu que d’autres particules ordinaires peuvent aussi conduire à ces évènements. ïl Faut alors Faire le tri parmi tous les signaux. Ces phénomènes devenant très complexes, il Faut alors parler en termes de probabilités de découverte. Ainsi, pour annoncer la découverte d’une particule, il Faut obtenir un écart-type dans les données de5 Sigma, soit unemarge d’erreur inférieure à 0.00003% !

Fonctionnement des détecteurs ATLAS et CMS

Le détecteur ATLAS

Ayant la Forme d’un cylindre géant de22 mètres de diamètre, ATLAS pèse7000 tonnes. Axée sur la ligne des Faisceaux, la structure recouvre une zone de collision et détecte ainsi tous les produits issus de cette collision.

Pour sa part, CMS est un peu plus petit, mesurant « que »16 mètres de diamètre, mais est beaucoup plus lourd, pesant approximativement12500 tonnes. ïl est positionné de la même manière qu’ATLAS, axé sur la ligne des Faisceaux, encore à l’endroit d’une autre zone de collision.

Le détecteur CMS

Selon les particules obtenues, ATLAS et CMS possèdent plusieurs « couches » pour les arrêter et les détecter :

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Untrajectographepour suivre la trajectoire de la plupart des particules dès leur Formation

Uncalorimètre électromagnétique, capable notamment de mesurer les photons et les électrons

Uncalorimètre hadronique, qui mesure les particules n’ayant pas déjà été arrêtées par le calorimètre précédent. Ces particules, leshadrons, peuvent être nombreuses et complexes, mais les protons et les neutrons

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appartiennent (indirectement) à cette Famille. C’est à ce niveau qu’ont été mesurés les produits de désintégration du Boson de Higgs.

Undétecteur de muons, qui sont à peu près les seules particules à l’atteindre. Lesmuonssont un peu comme des électrons très massiFs.

Schéma transversal du détecteur CMS

ATLAS et CMS ont des modes de conception très semblables, mais des techniques de découverte diférentes. Ainsi, les diférents éléments de détection ne sont pas composés de la même manière, ni de la même matière.

Ne l’appelez plus jamais Boson de Higgs

Kibble, Guralnik, Hagen, Englert et Brout (de g. à d.) lors de la remise du Prix Sakurai 2010. Peter Higgs n'est pas sur la photo.

Peter Higgslui-même a déclaré qu’il ne revendiquait pas la paternité de l’idée de la particule qui donne son nom, il est plus convenable d’appeler ce boson «Boson BEH», en réFérence aux trois principaux prédicateurs de son