Pourquoi se préoccuper du boson de Higgs?

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Quels sont les liens avec mon programme d'études?

Les physiciens sont un peu comme des chefs cuisiniers, sauf qu’ils essaient de découvrir la recette de la création de l’Univers.

Imagine que tu es un(e) grand(e) chef cuisinier à qui l’on sert un délicieux plat que tu ne connais pas. Chercherais-tu à en découvrir la recette? Tu voudrais connaître quels ingrédients ont été utilisés et comment ils ont été combinés pour produire quelque chose d’aussi savoureux. Et ne voudrais-tu pas mettre tes découvertes à l’essai dans la cuisine? Gageons que oui!

Les physiciens sont un peu comme des chefs, mais ils tentent de découvrir la recette de la création de l’Univers. Cette recette serait une équation mathématique. Et au lieu de la tester dans une cuisine, les chercheurs utilisent d’immenses tunnels souterrains comme le Grand collisionneur de hadrons.

Le tunnel et une partie de l’accélérateur de particules au Grand collisionneur de hadrons
Le tunnel et une partie de l’accélérateur de particules au Grand collisionneur de hadrons (xenotar via iStockphoto).

 

On se sert de ces tunnels hautement magnétisés et à très basses températures dans le but d’essayer de reproduire les conditions qui régnaient lors de la création de l’Univers. À cette période, des particules hautement énergisées se déplaçaient à des vitesses vertigineuses, entrant constamment en collision.

À l’intérieur du Grand collisionneur de hadrons, les scientifiques ont découvert le boson de Higgs caché dans la matière restant après une collision de protons. Les physiciens avaient prédit l’existence du boson de Higgs depuis 50 ans. Sa découverte a comblé une importante lacune dans notre compréhension de l’Univers. Les physiciens qui ont été les premiers à décrire la particule – Peter Higgs et Francois Englert – se sont vu décerner le prix Nobel de physique 2013.

Le savais-tu?

La découverte du boson de Higgs a été le résultat de la plus grande et la plus coûteuse expérience de tous les temps. Des centaines de mathématiciens, physiciens et ingénieurs provenant de nombreux pays ont collaboré au projet pendant plus d’une décennie. Un journaliste a estimé que le coût de sa découverte s’est élevé à 13,5 milliards de dollars.

Alors en quoi le boson de Higgs représente-t-il un important ingrédient dans l’Univers? Comme un chef cuisinier qui cherche à recréer un plat délicieux mais qui est incapable de trouver un ingrédient clé, les physiciens ont passé des décennies à essayer de comprendre une propriété qui est essentielle dans notre Univers. Cette propriété est la masse.

 

Le boson de Higgs, la base (2013). Vidéo par Ted Ed avec sous-titres en français (6 min 29 s).

 

On pourrait dire que la masse est ce qui permet à notre Univers, à la totalité de notre monde matériel, d’exister. Mais jusqu’à récemment, personne ne savait vraiment comment prendre la masse en compte. Ou comment expliquer le fait que différentes particules ont différentes masses. Cela signifiait que personne ne pouvait vraiment expliquer non plus l’immense diversité de l’Univers!

Mais maintenant qu’ils savent que le boson de Higgs est bien réel, les physiciens peuvent finalement expliquer pourquoi la masse existe. Le boson de Higgs a permis d’élucider l’un des plus grands mystères de tous les temps. Il nous enseigne pourquoi notre monde est tel qu’il est.

Comment le boson de Higgs explique-t-il la masse?  

Jusqu’à récemment, la recette des physiciens pour la création de l’Univers, appelée le modèle standard, comprenait déjà tous les types de particules élémentaires comme les quarks, les leptons et les bosons.

Les protons et les neutrons qui se trouvent à l’intérieur du noyau de l’atome sont constitués de quarks. Les plus familiers leptons sont les électrons chargés négativement à l’extérieur du noyau. Les bosons sont responsables des divers champs d’énergie comme l’électricité et la lumière. Mais aucune de ces particules n’explique la masse.

 

Comment s'est créée la matière ? (2017) par physique beyaert (3 min 30 s)

 

Mais avec l’ajout du boson de Higgs à cette liste, la masse peut être expliquée. Il se trouve que toutes les particules élémentaires sont entourées de bosons de Higgs. Ces bosons nouvellement découverts remplissent l’espace entre les particules. C’est ce qu’on appelle le champ de Higgs.

Les particules comme les photons ne rencontrent aucune résistance lorsqu’elles se déplacent à travers le champ de Higgs. C’est pourquoi les photons peuvent se déplacer très rapidement et ne comportent aucune masse. D’autres particules, comme les électrons, rencontrent une faible résistance, de sorte qu’elles ont une faible masse. À cause de cette masse, les électrons se déplacent plus lentement que les photons. Les quarks ont beaucoup de difficulté à traverser le champ de Higgs. Cela explique leur grande masse, comparativement aux autres particules.

 

Le champ de Higgs expliqué par Don Lincoln (3 min 18 s), vidéo avec sous-titres en français de TED Ed (2013).

 

Le savais-tu?

Traverser le champ de Higgs peut être comparé à traverser de l’eau. Certaines choses, comme les poissons, peuvent se déplacer librement. D’autres, comme les automobiles, se déplacent avec difficulté. 

Ainsi, chaque particule élémentaire doit sa masse spécifique, ou son absence de masse, aux bosons de Higgs. Au commencement de l’Univers, avant la formation du champ de Higgs, les particules ne comportaient aucune masse. Elles se déplaçaient donc à la vitesse de la lumière. Puis, les bosons de Higgs sont apparus, ralentissant les particules et leur donnant une masse. Éventuellement, ces particules ont suffisamment ralenti pour former les atomes. Et les atomes composent le monde matériel que nous connaissons aujourd’hui!

Il n’est pas étonnant que le boson de Higgs soit souvent surnommé la « particule de Dieu ». Sans lui, il n’y aurait pas de masse, et le monde tel que nous le connaissons n’existerait pas.

Amorces de discussion

Faire des liens

  • Que savais-tu au sujet du boson de Higgs avant la lecture de cet article?
  • Peux-tu imaginer ce que tu ressentirais si tu avais participé à une découverte scientifique majeure après 50 années? 

Faire des liens

  • Que savais-tu au sujet du boson de Higgs avant la lecture de cet article?
  • Peux-tu imaginer ce que tu ressentirais si tu avais participé à une découverte scientifique majeure après 50 années? 

Relier la science et la technologie à la société et à l'environnement

  • Le coût de la découverte de l'insaisissable boson de Higgs s’est élevé à 13,5 milliards de dollars pour la communauté scientifique globale. Penses-tu qu’il s’agissait d’une dépense utile? Pourquoi ou pourquoi pas?   

Relier la science et la technologie à la société et à l'environnement

  • Le coût de la découverte de l'insaisissable boson de Higgs s’est élevé à 13,5 milliards de dollars pour la communauté scientifique globale. Penses-tu qu’il s’agissait d’une dépense utile? Pourquoi ou pourquoi pas?   

Explorer les concepts

  • Pourquoi le Grand collisionneur de hadrons a-t-il été construit?
  • Où le Grand collisionneur de hadrons est-il situé? Pourquoi? 
  • Que font les particules de boson de Higgs? En quoi sont-elles importantes? 

Explorer les concepts

  • Pourquoi le Grand collisionneur de hadrons a-t-il été construit?
  • Où le Grand collisionneur de hadrons est-il situé? Pourquoi? 
  • Que font les particules de boson de Higgs? En quoi sont-elles importantes? 

Nature de la science et de la technologie

  • Quelle était la nature du boson de Higgs avant sa découverte? 
  • Quel est le but d’une théorie scientifique?

Nature de la science et de la technologie

  • Quelle était la nature du boson de Higgs avant sa découverte? 
  • Quel est le but d’une théorie scientifique?

Littératie médiatique

  • Si tu étais le rédacteur ou la rédactrice en chef d’un journal, comment situerais-tu la nouvelle de la découverte du boson de Higgs dans le fil de nouvelles? Comment décrirais-tu la pertinence de cette découverte pour le grand public? 

Littératie médiatique

  • Si tu étais le rédacteur ou la rédactrice en chef d’un journal, comment situerais-tu la nouvelle de la découverte du boson de Higgs dans le fil de nouvelles? Comment décrirais-tu la pertinence de cette découverte pour le grand public? 

Suggestions pour l’enseignement

  • Cet article permet de soutenir l’enseignement et l’apprentissage de la physique dans les catégories « Physique moderne » et « Physique des particules ». Les concepts présentés incluent le boson de Higgs, la masse, la diversité, le modèle standard, les quarks, les protons, les neutrons, les leptons, les bosons et le champ de Higgs.
  • Avant la lecture de cet article, les enseignants peuvent demander aux élèves d’utiliser la stratégie d’apprentissage Aperçu du vocabulaire qui leur permettra de faire appel à leurs connaissances acquises antérieurement. Les fiches reproductibles « Aperçu du vocabulaire » prêtes à utiliser pour cet article sont disponibles dans les formats [Document Google] et [PDF].
  • Après la lecture de cet article et le visionnement des vidéos intégrées, les enseignants peuvent demander aux élèves d’utiliser la stratégie d’apprentissage Tournoi des idées principales qui leur permettra de consolider les acquis relatifs à l’information présentée dans toutes ces ressources. Les fiches reproductibles « Tournoi des idées principales » prêtes à utiliser sont disponibles dans les formats [Document Google] et [PDF].

Suggestions pour l’enseignement

  • Cet article permet de soutenir l’enseignement et l’apprentissage de la physique dans les catégories « Physique moderne » et « Physique des particules ». Les concepts présentés incluent le boson de Higgs, la masse, la diversité, le modèle standard, les quarks, les protons, les neutrons, les leptons, les bosons et le champ de Higgs.
  • Avant la lecture de cet article, les enseignants peuvent demander aux élèves d’utiliser la stratégie d’apprentissage Aperçu du vocabulaire qui leur permettra de faire appel à leurs connaissances acquises antérieurement. Les fiches reproductibles « Aperçu du vocabulaire » prêtes à utiliser pour cet article sont disponibles dans les formats [Document Google] et [PDF].
  • Après la lecture de cet article et le visionnement des vidéos intégrées, les enseignants peuvent demander aux élèves d’utiliser la stratégie d’apprentissage Tournoi des idées principales qui leur permettra de consolider les acquis relatifs à l’information présentée dans toutes ces ressources. Les fiches reproductibles « Tournoi des idées principales » prêtes à utiliser sont disponibles dans les formats [Document Google] et [PDF].

En savoir plus

Voyage au cœur de la matière
Vidéo (26 min 16 s) de C'est Pas Sorcier expliquant les particules subatomiques, ainsi que la visite du Grand collisionneur de hadrons 

L'ORIGINE DE LA MATIÈRE (2019)
Vidéo (42 min 43 s) de L'Esprit Sorcier présentant l'historique et les théories actuelles de physique quantique.

Quelle est la chose la plus petite dans l'univers? (2018)
Vidéo (3 min 18 s) avec sous-titres français de Jonathan Butterworth expliquant les particules élémentaires.

[Comment ça marche ?] Le modèle standard (2020)
Vidéo (5 min 17 s) de CEA Recherche expliquant ce qu'est le modèle standard de la physique des particules.

Références

Atteberry, J. (2020). What exactly is the Higgs boson? HowStuffWorks.

Moskowitz, C. (2013, October 8). Higgs boson predictors awarded the 2013 Nobel physics prize. Scientific American.

Rincon, P. (2012, July 4). Higgs boson-like particle discovery claimed at LHC. BBC.

Weinberg, S. (2012, July 13). Why the Higgs boson matters. New York Times.