Boson de Higgs : rien à voir avec la gravité

Il y a quelques semaines on me faisait remarquer que certains médias faisaient une analogie entre le photon, associé à l’interaction électromagnétique, et le boson de Higgs, qui serait associé à l’interaction gravitationnelle. En fait cette « analogie » repose sur une grave confusion entre plusieurs concepts : celui de masse conférée aux particules du fait de l’existence du Higgs, et l’équivalence entre masse et énergie en relativité restreinte, qui conduit à l’interaction gravitationnelle en relativité générale. Voici la réponse que j’ai apportée.

Notions en théorie quantique des champs

Le fait de présenter le boson de Higgs comme un analogue gravitationnel du photon électromagnétique est exactement faux : l’analogue est le graviton. En effet, les particules médiatrices de forces (ici les interactions électromagnétiques et gravitationnelles respectivement, et on parle de bosons de jauge) ont des propriétés très particulières, du fait qu’elles interviennent pour restaurer une symétrie « localement » (en gros la première correspond à la rotation autour d’un axe abstrait, la seconde à la possibilité de changer de coordonnées). Entre autres propriétés les bosons de jauge ne peuvent pas avoir de masse.

D’un autre côté, les autres particules (i.e. les fermions de spin 1/2, cad la matière usuelle : quarks, neutrinos, électrons, etc., et les bosons de spin 0 ou scalaires, dont le seul représentant standard est le boson de Higgs) peuvent en principe avoir une masse. Mais les symétries du modèle standard imposent que toutes les masses sauf celle du Higgs soient nulles (il s’agit donc d’une propriété spécifique au modèle, et non de la théorie, à l’inverse des masses des bosons de jauge).

Ensuite une autre notion : un champ (dont les excitations – ou fluctuations – sont les particules) peut posséder une valeur moyenne, autour duquel il va fluctuer. Un théorème dit que seules les particules scalaires peuvent avoir une valeur moyenne.

La notion de Higgs est très liée à celle de symétrie (comme une grande partie de la physique théorique), et le lecteur intéressé pourra trouver une introduction au sujet dans le numéro 2 de l’Hibou’k, ainsi que des développements dans les numéros suivants.

Le modèle standard des particules

Maintenant on peut en venir au cœur du sujet : dans le modèle standard « pur », il y a quatre champs scalaires (massifs), les fermions (sans masses) et les bosons de jauge (sans masses). Maintenant la dynamique va sélectionner une certaine valeur moyenne pour les quatre champs scalaires. Ces valeurs induisent une brisure de symétrie (ici c’est l’électrofaible qui est concernée), qui a plusieurs effets : trois des champs scalaires sont en quelques sortes mangés par les bosons de l’interaction faible, qui obtiennent alors une masse (proportionnelle à la valeur moyenne du dernier champ), tandis que le dernier champ est ce qu’on appelle le boson de Higgs (qui a une valeur moyenne non nulle donc). De plus, la présence de cette valeur moyenne va donner une masse effective aux fermions (du fait d’interactions, dites de Yukawa, entre les quatre champs scalaires et les fermions).

Interaction gravitationnelle

Au contraire la gravité est caractérisée par une courbure de l’espace-temps, créée par le contenu en masse/énergie. Deux particules interagissent gravitationnellement via la courbure qu’elles impriment à l’espace-temps. Cette interaction peut être vue comme transmise par le graviton. Mais jamais ce dernier ne donnera une masse à une particule (sans prendre en compte les fluctuations quantiques, mais cela est possible avec n’importe quelle particule). La gravité n’est pas inclue dans le modèle standard.

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