thumb|De gauche à droite : Kibble, Guralnik, Hagen, Englert et Brout, en 2010.
Le boson de Higgs, ou boson BEH, est une particule élémentaire du modèle standard de la physique des particules produite par l'excitation du champ de Higgs, lequel donne leur masse à certaines particules, notamment celles de la matière ordinaire, par le mécanisme de Higgs.
Plus précisément, le boson de Higgs est à l'origine de la masse des fermions, notamment des quarks et des électrons. En revanche, il n'est pas à l'origine de l'essentiel de la masse des noyaux atomiques, et donc de la matière, qui provient de l'énergie de liaison entre les quarks.
Le mécanisme de Higgs confère également une masse non nulle aux bosons de jauge de l'interaction faible (bosons W et boson Z), leur conférant des propriétés différentes de celles du boson de l'interaction électromagnétique, le photon. Le boson de Higgs explique cette différence par une brisure de l'interaction unifiée électrofaible en deux interactions par l'intermédiaire du mécanisme sus-cité..
Son existence est postulée en 1964 et confirmée de manière expérimentale en 2012 grâce à l'utilisation du Grand collisionneur de hadrons (LHC) du CERN. Elle conduit à l'attribution du prix Nobel de physique à François Englert et Peter Higgs en 2013.
La détection du boson de Higgs constitue l'une des clefs de voûte du modèle standard de la physique des particules.. La connaissance de ses propriétés pourrait par ailleurs orienter la recherche au-delà du modèle standard et ouvrir la voie à la découverte d'une nouvelle physique, telle que la supersymétrie ou la matière noire..
Symbole Le symbole du boson de Higgs est H.
Propriétés Le modèle standard de la physique des particules ne prédit l'existence que d'un seul boson BEH : on parle de . Des théories au-delà du modèle standard, telles que la supersymétrie, autorisent l'existence de plusieurs bosons de ce type, de masses et de propriétés différentes.
La théorie de l'interaction unifiée électrofaible (EWSB, pour l'anglais ) prédit pour le boson de Higgs des propriétés quantiques très particulières : un spin de 0, une fonction d'onde qui ne change pas lors d'une inversion de charge et de parité (spin/CP de 0), et une interaction avec lui-même par auto-couplage. Par cet ensemble de propriétés, il se démarque des autres particules fondamentales connues. En revanche, la théorie ne prédit pas sa masse.
Une mesure combinée des canaux de désintégration H → γγ et H → ZZ* → 4ℓ réalisée par l'expérience ATLAS a donné en 2023 une masse du boson de Higgs de 125,11 ± 0,11 GeV/c², soit une précision de 0,09 %.
Le spin/CP de 0 n'a pas été explicitement démontré, mais l'hypothèse d'un spin de a été invalidée (parce que l'un des modes de désintégration du boson de Higgs produit deux photons, de ) ainsi qu'un grand nombre d'autres hypothèses plus exotiques. Les de H avec les bosons W et Z ont été mesurées avec une incertitude de 6 %, de même qu'avec les quarks top et bottom et avec les leptons tau (les quarks et leptons de troisième génération), avec une incertitude de 7 à 11 %.
Historique thumb|Une des voies possibles de formation d'un boson de Higgs neutre à partir de deux quarks et l'échange de bosons électrofaibles. L'existence du boson de Higgs a été postulée indépendamment en juin 1964 par François Englert et Robert Brout, en août par Peter Higgs, et par Gerald Guralnik, Carl Richard Hagen et Thomas Kibble.
Le boson de Higgs semble en 2000 être mis en évidence au LEP du CERN. La signification statistique est cependant trop faible pour que cette mise en évidence soit assurée. Des études conduites en 2002 au LEP permettent de conclure à une probabilité de 8 % pour que les événements observés s'expliquent sans faire intervenir le boson , conférence ICHEP'02, Amsterdam, juillet 2002..
La recherche du boson scalaire (ou boson de Higgs) est l'une des priorités initiales du LHC, accélérateur de particules successeur du LEP, opérationnel depuis le . Les expériences CMS et ATLAS au LHC annoncent en avoir observé des excès cohérents autour de . , ne sont toutefois pas non plus suffisamment significatifs statistiquement pour valider avec certitude la découverte du boson de Higgs.
Lors d'un séminaire organisé au CERN en , il est soutenu que, s'il existe, l'énergie propre du boson se situe probablement dans la gamme selon les expérimentations ATLAS et d'après celles du CMS..
Le , le CERN annonce avoir identifié, avec un degré de confiance de % (), un nouveau boson dans un domaine de masse de l'ordre de , qui paraît compatible avec celui du boson de Higgs.. L'annonce est suivie, le , par la publication de deux articles dans la revue ... Le , l'organisme confirme que, selon toute vraisemblance, il s'agit bien du boson de Higgs...
Cette découverte conduit à l'attribution du prix Nobel de physique à François Englert et Peter Higgs en 2013..
Le , les physiciens du CERN annoncent avoir détecté, grâce aux détecteurs ATLAS et CMS, la désintégration du boson en une paire de quarks bottom, confortant ainsi le modèle standardLa désintégration du Higgs en quarks b enfin observée, CERN, le 28 août 2018.Boson de Higgs : l'origine de la masse des quarks se précise, Futura, le 30 août 2018..
Principe L'existence du boson scalaire (BEH) est trop brève (de l'ordre de .) pour qu'on le détecte directement : on ne peut espérer observer que ses produits de désintégration, voire les produits de désintégration de ces derniers.. Des événements mettant en jeu des particules ordinaires peuvent en outre produire un signal similaire à celui produit par un boson de Higgs.
Par ailleurs, une particule ne peut être observée dans un détecteur qu'à des énergies supérieures ou égales à sa propre masse. Il est d'ailleurs abusif de parler de masse pour une telle particule, puisque dans le modèle la masse n'est plus une caractéristique intrinsèque des particules, mais une mesure de leurs interactions avec le champ de Higgs..
Enfin, la complexité des phénomènes intervenant tant dans la production que dans la détection de ces bosons conduit à raisonner en termes de statistiques, qui excluent l'identification formelle à 100 % du boson. Ainsi, pour affirmer une découverte en physique des particules, la probabilité d'erreur doit être inférieure à , correspondant à un intervalle de confiance de .. Une telle démarche statistique implique donc de provoquer un très grand nombre de collisions lors des expériences pour aboutir à ces niveaux de probabilitéSelon les conventions en vigueur en physique des particules, l'annonce d'une découverte nécessite cinq déviations standards, ce qui correspond à une probabilité de 99,99994 %, trois déviations standards (probabilité de 99,73 %) ne permettant de conclure qu'à une ..
Instruments et expériences La mise en évidence directe de l'existence du boson de Higgs passe par l'utilisation de détecteurs spécifiques auprès d'accélérateurs de particules. Les expériences suivantes ont tenté de détecter le boson de Higgs : au LEP (collisionneur électron-positron) : ALEPH, DELPHI, L3 et OPAL. Pour la recherche du boson de Higgs, le LEP pèche par son énergie relativement faible. Le LEP a fonctionné de 1989 à 2000 ; au Tevatron (collisionneur proton-antiproton) : DØ et CDF. Malgré son énergie maximale sept fois plus faible que celle du LHC, le Tevatron permet un bruit de fond moins important pour les collisions, et le fait d'utiliser des collisions protons-antiprotons pourrait engendrer des événements spécifiques n'apparaissant pas dans des collisionneurs protons/protons tels que le LHC. Le Tevatron a fonctionné de 1983 à 2011 ; au LHC (collisionneur proton-proton) : ATLAS et CMS. Le LHC fonctionne depuis 2009.
Domaines d'exclusion thumb|Domaines d'exclusion de l'énergie du boson scalaire au . Les expériences passées conduisaient à exclure cette masse au repos du boson de Higgs de certains intervalles : il était exclu avec un intervalle de confiance de 95 % par des expériences s'étant déroulées au LEP qu'elle soit inférieure à ; il était exclu à 95 % par les expériences CDF et DØ au Tevatron qu'elle soit comprise entre 156 et ; il était exclu à 95 % (respectivement 99 %) par l'expérience CMS au LHC qu'elle soit comprise entre 127 et (respectivement 128 et ) et dans un intervalle similaire par l'expérience ATLAS ; en , une publication du Tevatron , Fermilab, 7 mars 2012. renforce l'exclusion du domaine et la probabilité, supérieure à 97 % (), que le Higgs soit en revanche situé dans l'intervalle ; en 2019, le CERN publie un résultat de (CMS 2019) ; en 2023, le CERN publie un résultat de (ATLAS 2023)..
Origine de la masse vignette|Peter Higgs lors de la conférence de presse de la remise des prix Nobel 2013. Plusieurs questions ont été posées concernant, entre autres, le mécanisme et la masse des bosons. Pour apporter une réponse à ces questions, la notion de brisure de symétrie est introduite, dans la théorie électrofaible.
Symétrie et brisure de symétrie Les régularités dans le comportement des particules sont appelées symétries et elles sont étroitement reliées aux lois de conservation. La symétrie est aussi reliée au concept de l'invariance : si un changement effectué dans un système physique ne produit aucun effet observable, le système est dit invariant au changement, impliquant une symétrie (voir théorème de Noether).
L'unification électrofaible est fondée sur le concept que les forces sont générées par l'échange de bosons. Lorsqu'on dit qu'il existe une force entre deux fermions (spin demi-entier), c'est aussi dire qu'ils sont en train d'échanger des bosons. Il faut à partir de là comprendre comment les bosons transmetteurs des forces fondamentales acquièrent une masse. Dans le cas de l'unification électrofaible, comment les bosons W± et Z° acquièrent-ils une masse alors que ce n'est pas le cas pour le photon ?
Les symétries de jauge requièrent que les transmetteurs de force (bosons de jauge) soient de masse nulle. Pour contourner le problème de la masse des bosons, Salam, Glashow et Weinberg ont dû inventer un mécanisme pour briser la symétrie de jauge permettant aux W± et Z° d'acquérir une masse. De tels mécanismes avaient été développés dans d'autres contextes par divers théoriciens : Yoichiro Nambu, Jeffrey Goldstone, Sheldon Glashow, Peter Higgs et Philip Warren Anderson.
L'idée est de postuler l'existence d'un nouveau champ, surnommé champ de Higgs.
Champ de Higgs Contrairement à tous les autres champs connus, tels que le champ électromagnétique, le champ de Higgs est un champ scalaire et a une valeur constante non nulle dans le vide. Le champ de Higgs différerait des autres champs en ce qu'à basse température (énergie thermique), l'espace « préférerait » être rempli de particules de Higgs que de ne pas l'être. Les bosons W± et Z° interagissent avec ce champ (contrairement au photon) et avancent à travers l'espace comme s'ils se mouvaient dans une « mélasse » épaisse. De cette manière, ils acquièrent une masse effective. À haute température (énergie), les interactions dans le champ de Higgs sont telles que l'espace n'est plus rempli de cette mélasse higgsienne (un peu comme si la température avait fluidifié la mélasse), les W± et Z° perdent leur masse et la symétrie entre les W±, Z° et le photon n'est plus brisée, elle est « restaurée » et est dite « manifeste ». La masse d'un fermion ou d'un boson ne serait donc qu'une manifestation de cette interaction des particules avec le champ de Higgs dans lequel elles « baignent ».