Michel Davier

On a vu qu'à basse température certains métaux conduisent le courant sans opposer de résistance électrique, et que cette propriété est mise à profit pour la réalisation d'aimants à très haut champ. La conception des aimants du LHC est compliquée car les protons tournant en sens inverse doivent être soumis à un champ inversé. Chaque aimant incorpore donc les deux polarités, à quelques centimètres de distance ! On conçoit l'énormité des forces magnétiques (environ 400 t par mètre d'aimant) agissant sur les bobines conductrices, qui doivent être maintenues en position avec une grande précision. Afin d'obtenir un état supraconducteur stable, l'aimant tout entier baigne dans de l'hélium superfluide à la température de 1,9 K, ce qui nécessite la plus grosse installation cryogénique du monde. On se rappelle que 273 K est la température de fusion de la glace et 77 K celle de l'ébullition de l'azote liquide. Le fait de passer de la température de liquéfaction de l'hélium (4,2 K) à celle de l'hélium superfluide (1,9 K) fait gagner 3 teslas sur le champ magnétique, soit 5 TeV sur l'énergie. L'anneau complet comprend 1232 aimants de 15 m de long, plus des centaines d'aimants produisant des champs magnétiques spécifiques destinés à maintenir les protons groupés au cours de leur long périple et bien focalisés aux points de croisement. Ce sont finalement 47.000 t de composant qui sont placés dans 120 t d'hélium liquide, ce qui a fait dire que le LHC était l'endroit le plus froid de l'Univers, plus froid que les espaces intersidéraux baignant dans le fond cosmologique des photons fossiles du big bang (2,7 K).

La recherche du boson de Higgs nécessitant la construction d'installations coûteuses, il faut pouvoir les justifier. Au fil des pages, le lecteur aura compris que ce n'est pas chose facile! D'ailleurs, en 1993 le ministre de la Science du Royaume-Uni William Waldegrave mit les scientifiques britanniques à l'épreuve en lançant un concours de l'explication la plus simple du boson de Higgs. Le gagnant proposa l'image suivante. Un pièce est remplie d'un grand nombre d'invités à l'occasion d'un cocktail. Une personne importante arrive (dans l'histoire originale, il s'agissait de Margaret Thatcher) et essaie de se frayer un chemin dans la foule. Aussitôt qu'ils reconnaissant la célébrité, les invités s'agglutinent autour d'elle, ce qui ralentit sa progression. Si au contraire une personne normale se présente, elle peut traverser la pièce sans peine. En fait, l'analogie est assez bonne: la foule représente le champ de Higgs présent dans tout l'espace et la notoriété de la personne est l'équivalent de la masse de la particule. Une particule qui, comme les bosons W et Z, interagit fortement avec avec le champ de Higgs voit sa vitesse réduite, ce qui correspond à une masse d'autant plus grande que l’interaction est forte. Au contraire, celles qui n'interagissent pas avec le champ de Higgs, comme le photon et les gluons, vont à la vitesse maximum possible en relativité restreinte, c'est-à-dire la vitesse de la lumière.

La théorie électrofaible représente une étape capitale dans l'histoire des sciences et notre conception des interactions fondamentales dans l'Univers. La clé de voûte de cette construction est le mécanisme de Higgs, basé sur le concept de brisure spontanée de symétrie. La masse des particules fondamentales a son origine dans ce mécanisme. On peut difficilement surestimer l'importance de cette notion, qui a joué un rôle capital dans l'évolution de l'Univers tel que nous pouvons l'observer aujourd'hui. Mais, jusqu’à présent, ce mécanisme reste caché et nous pouvons seulement constater que la théorie basée sur lui représente bien les phénomènes physiques. Sa signature indélébile est l'existence du boson de Higgs, dont toutes les propriétés sont prédites, sauf sa masse. Sa mise en évidence serait donc une découverte capitale.
Cependant, le boson de Higgs se fait attendre. On en parle beaucoup, mais personne ne l'a encore rencontré... Les seules informations à son sujet proviennent du LEP, avec des tests de précision de la théorie et la recherche directe qui situent sa masse dans un créneau entre 114 et 160 GeV, avec une indication à 115 GeV qui a pu être confirmée. L'action se déroule pour l'instant aux Etats-Unis avec le Tevatron, avant l'exploitation du LHC dont les performances seront bien meilleures.

La théorie électrofaible est une avancée conceptuelle comparable à celle de l'électromagnétisme au XIXè siècle. La clé de voûte de cette théorie est le mécanisme Brout-Englert-Higgs, nécessaire pour donner une masse aux bosons de l'interaction faible et à tous les fermions élémentaires. Il est difficile de surestimer l'importance de cette notion, qui a joué un rôle capital dans l'évolution de l'Univers tel que nous pouvons l'observer aujourd'hui. Nous avons vu que, sans masse, les quarks et les électron ne pourraient former les atomes, qui sont les briques essentielles de la matière inerte et vivante. Et c'est la mise en évidence du boson de Higgs qui apporte la signature indélébile de ce mécanisme et qui assure la viabilité de la théorie électrofaible dans le modèle standard.

Si on pouvait prendre une photo instantanée d'un proton, on verrait les trois quarks principaux (dits "de valence", expression empruntée à la chimie et bien appropriée), un grand nombre de quarks et d'antiquarks de beaucoup plus basse énergie provenant des fluctuations de gluons (appelés "quark de la mer", expression évoquant une sorte de liquide grouillant, bien que l'origine du terme soit différente), et une multitude de gluons.

On se rappelle la célèbre formule d'Einstein : "Ce qu'il y a de plus inintelligible dans le monde, c'est qu'il soit intelligible".