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La découverte, en 2012, du boson de Higgs grâce au Grand collisionneur de hadrons (LHC) a été un triomphe sur le plan de la physique théorique et expérimentale. Toutefois, ses implications commencent à peine à être comprises. Les mesures de précision réalisées par les collaborations ATLAS et CMS montrent que cette particule fondamentale, qui est à l'origine de la génération des masses des particules élémentaires, se comporte comme le prédit le Modèle standard de la physique des particules, établi il y a un demi-siècle. Mais d'où vient le boson de Higgs ? Et pourquoi cette particule est-elle si légère qu'il est possible de la produire en masse dans le LHC ? Ces questions ont été débattues lors d'un atelier, intitulé Exotic Approaches to Naturalness, qui s’est tenu du 30 janvier au 3 février au sein du département Physique théorique du CERN.
Le boson de Higgs est la plus simple des particules connues : un « fragment de vide » dépourvu de charge et de spin. Comme toute particule élémentaire, elle est le quantum d'excitation d'une entité plus fondamentale appelée « champ », en l’occurrence le champ de Brout-Englert-Higgs – substance unique mais dépourvue de caractéristiques distinctives – qui remplit uniformément tout l'espace. Ce champ serait apparu lors de la transition de phase électrofaible qui s'est produite une fraction de nanoseconde après le Big Bang. Les particules élémentaires, telles que l'électron, qui se déplaçaient auparavant à la vitesse de la lumière, auraient dès lors été contraintes d'interagir avec cette mélasse quantique, ce qui leur aurait conféré une nouvelle propriété, la masse. Si ce scénario s’avère exact, le boson de Higgs lui-même devrait acquérir une masse à partir des interactions des particules connues avec son champ associé. Sur la base de ces « corrections quantiques », la valeur de la masse du boson de Higgs serait supérieure d’un nombre conséquent d’ordres de grandeur à celle observée. Hormis le fait qu’un boson de Higgs aussi massif serait hors de portée de toute expérience concevable, avec cette valeur pour la masse du Higgs, l'Univers tel que nous le connaissons n’aurait pas pu se former.
Conscients de ce paradoxe (appelé « problème de la hiérarchie électrofaible ») bien avant la découverte du boson de Higgs, et intéressés par l'existence possible de particules et de forces au-delà de celles décrites par le Modèle standard, les scientifiques ont avancé diverses explications. Première hypothèse, le boson de Higgs serait constitué d'entités plus élémentaires maintenues ensemble par des forces très fortes, ce qui permet de surmonter le problème des corrections quantiques. Deuxième hypothèse, l'espace-temps possèderait des dimensions « supersymétriques » supplémentaires qui supposeraient l'existence d'un monde entièrement nouveau de particules constituant des répliques des particules connues compensant les corrections quantiques problématiques. Toutefois, aucun indice probant n'a pour l'instant été trouvé pour de telles solutions « naturelles » au problème de la hiérarchie électrofaible.
C’est là qu’interviennent les approches exotiques de la naturalité, qui s'appuient sur des concepts aussi divers que les symétries généralisées, le mélange ultraviolet-infrarouge, les conjectures de gravité faible et les « zéros magiques » pour tenter d'expliquer la masse du boson de Higgs et d'autres nombres non naturels en physique. Autant de notions sibyllines maniées par les participants à l'atelier de février, encouragés à remettre en question les conventions et à faire germer des idées aux frontières de la connaissance – y compris des théories rejetant complètement le concept de naturalité. Un tel rejet marquerait une rupture radicale. Après tout, la masse du boson de Higgs n'est pas le seul nombre apparemment non naturel dans la nature : ainsi, les physiciens se demandaient autrefois pourquoi l'énergie électrique de l'électron ne devenait pas infinie à courte distance ; le mystère s'est dissipé quand on a découvert que l'électron avait un partenaire dans l'antimatière, le positon, ce qui annulait la divergence contraire à la théorie. La masse non naturelle du boson de Higgs pourrait même être liée à la valeur extrêmement faible, mais non nulle, de la constante cosmologique, qui est responsable de l'accélération de l'expansion de l'Univers.
« Cet atelier a été une occasion fantastique de jeter un regard neuf sur les problèmes de naturalité, dans des systèmes physiques très divers, et notamment en physique des particules, souligne Tim Cohen, membre du CERN et coorganisateur de l'atelier. Notre communauté réfléchit au problème de la naturalité du boson de Higgs depuis des décennies ; pour beaucoup d'entre nous, c’est que nous n'avons pas encore trouvé la bonne idée. Si nous parvenons à comprendre comment la nature a traité le problème de la hiérarchie électrofaible, nous aurons de très bonnes chances d’apprendre quelque chose qui changera notre point de vue sur la physique fondamentale, et qui nous fera sortir de la philosophie réductionniste qui s'est imposée depuis le début de notre discipline ».
Même si l’on peut laisser les théoriciens donner libre cours à leur imagination, la conclusion de l'atelier du CERN est claire : la voie à suivre sera guidée par les données. Les échantillons plus importants de bosons de Higgs qui seront collectés par ATLAS et CMS dans les années à venir – et par des expériences menées auprès d'une « usine à Higgs » spécifique, proposée pour l’après-LHC – permettront aux scientifiques d'étudier l'interaction si particulière du boson de Higgs avec lui-même. Nous pourrons ainsi nous faire une idée plus précise de la forme du champ de Brout-Englert-Higgs et de la nature de la transition de phase électrofaible, et peut-être même savoir si le boson de Higgs est naturel ou s'il présente justement les mises au point nécessaires à l’existence de notre Univers.